镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法

专利名称：镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法
技术领域：
本发明涉及一种难熔化合物及其固相合成方法，具体涉及一种合成碳化锆粉末的方法。
背景技术：
碳化锆陶瓷粉术是一种极重要的新型工程陶瓷原料，碳化锆陶瓷是重要的高熔点、高强 度和耐腐蚀的超高温结构材料，其优异的特点使其在硬质合金上有很大的应用空间，可以提 高硬质合金强度、耐腐蚀性等。碳化锆具有高硬度，优异的耐磨性，良好的导电导热性，被 广泛用于制造切削刀具、砂轮、研磨剂。而且，碳化锆具有高效吸收可见光，反射红外线的
特性，当它吸收占太阳光中9596的2iim以下的短波长能源后，通过热转换，可将能源储存在 材料中，它还具有反射超过2um红外线波长的特性。而人体产生的红外线波长约10iim左 右，不会向外散发。这说明碳化锆具有理想的吸热、蓄热的特性。此外，碳化锆热中子吸收 截面小、耐辐照性能好，可以做髙温气冷堆包覆燃料颗粒阻挡层的材料。但是高纯ZrC原料 高昂的价格限制了这类材料的大规模开发和应用。
碳化锆陶瓷粉末的传统合成工艺为用碳热还原的方法将氧化锆与碳的混合物置于真空 管式炉内，加热至1500'C左右碳化还原，还原时间一般为1 12小时，由于粉术的混合方式 简单，只是在较粗的粒度上的混合，这样合成的粉末的粒径较大，而且烧结活性差。这种方 法的主要缺点生产装置复杂、反应温度高、时间长、能耗巨大，获得的碳化锆晶粒粗大、 产品纯度差。最近，国内外学者尝试用其它方法制备粒径细小且分布均匀的碳化锆粉末，Yan 通过溶胶-凝胶的办法制得无机前驱体，再用碳热还原在1400'C下得到超细的碳化锆粉， Mickael Dolle用溶胶-凝胶的办法得到90-150nm的碳化锆粉末。这种方法的主要缺点生 产周期长，操作复杂，不能大规模生产，影响因素多。
燃烧合成技术是利用化学反应放出的热量使燃烧反应自发地进行下去，以获得具有指定 成分和结构燃烧产物的材料加工新技术。该技术与许多传统材料制备技术相比具备如下优 势过程简单、工艺周期短；能耗少、明显的节能效果；合成的产品纯度高；由于合成过程
经历极大的温度梯度，能获得高烧结活性的合成产品。燃烧还原合成技术使用活泼金属还原 剂和金属氧化物为原料，利用化学反应的热量自发的进行下去，再将生成产物进行酸洗，将 反应生成副产物除去，得到最终产物，与直接燃烧合成相比，可得到粒径更为细小的最终得 到的产物。
参考文献 Yan， Y. J. Huang, Z. G. Liu， X. J. Jiang, D. L. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2007， 44， 81-85. Sun shouren. hand book of Material for Nuclear reactor[M]. Beijing:Atomic Energy Press, 1987:26,[3] 0gawa T et al. Journal of Rare metal Material and Engineering, 2000， 29(2): 101. M.D. Sack et al. ， Journal of Materials and Science. 2004,39,6057. Norton et al-，US PatentttN63-18389, Advanced Materials Research Corp- Dolle， M.Gosset， D. Bogicevic， C.Karolak， F. Simeone， Baldinozzi， G. Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27， 2061-2067。

发明内容
本发明的目的在于提供一种镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，该方法工艺简单、合 成时间短、成本低，得到的碳化锆粉末纯度高。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，其特 征在于它包括如下歩骤
1) 按各原料重量百分数为..Zr0a粉67 68%、 C粉6 7%、 Mg粉26 27%，选取Zr02
粉、C粉和Mg粉，备用；
2) 将Zr02粉、C粉和Mg粉均匀混合，将均匀混合后的粉末放入密闭容器，并充氩气作 为保护气氛，压强为0.1 0. 2MPa,点火燃烧，冷却后得到燃烧产物；
3) 将燃烧产物经研磨后，过筛得到粒径小于0.5mm的粉末，将粉末置于浓度为0. 5 2.0mol/L的盐酸中于20 8(TC酸洗l 10小时，所获产物经过滤、烘干，即得碳化锆粉末。
歩骤l)所述的Zr02粉的粒径小于7um， C粉的粒径小于2um， Mg粉的粒径小于150n
mo
歩骤l)所述的各原料重量百分数为ZrU粉67.2%、 C粉6.696、 Mg粉26.2%。 歩骤l)所述的各原料重量百分数为ZiU粉67%、 C粉6.9%、 Mg粉26.1%。 歩骤2)所述的将Zr02粉、C粉和Mg粉均匀混合为将Zr02粉、C粉和Mg粉在真空条 件下干燥10 20小时，再将Zr02粉、C粉和Mg粉机械球磨混合5 10小时，球料比为3: 1。 步骤2)所述的密闭容器为自蔓延高温合成装置(中国实用新型专利ZL93216816.7)。 本发明具有以下有益效果
1、 燃烧还原合成工艺的特点是反应速度快、合成时间短、节约能源；成本低、效率高； 产物纯度高、得到的产物粒径细小，且对环境无污染。本发明采用燃烧还原法，以氧化锆、 碳粉、镁粉为原料，稳定了工艺并且降低了成本。燃烧还原法化学反应方程式为 Zr02+C+2Mg=ZrC+2MgO。该方法工艺简单、合成时间短、成本低、纯度高、粒度小，适于工业 化大规模生产。
2、 本发明直接用粉状原料进行燃烧合成反应，不仅简化了制备工艺，而且有效控制了 反应放热，避免了反应温度过高导致粉体颗粒急剧长大。


图1是实施例1所得碳化锆粉末的SEM图。 图2是实施例1所得碳化锆粉末的XRD图。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅
仅局限于下面的实施例。 实施例1:
镁热燃烧还原合成碳化锆粉木的方法，它包括如下步骤
1) 原料粉木粒径分别为C粉lum， Zr02粉6um, Mg粉100um;按重量百分数为Zr02 粉67.2%, C粉6.6%, Mg粉26.2%,选取Zr02粉、C粉和Mg粉，备用；
2) 将ZrO,粉、C粉和Mg粉机械球磨混合5小时，球料比为3: 1,然后在高真空条件下 干燥10小时；将混合均匀的粉末装入反应器中，充氩气作为保护气氛，气压是0.1MPa，钨 丝点火燃烧使之发生自蔓延反应，反应在1-2分钟内完成；冷却后得到燃烧产物；
3) 将燃烧产物经球磨机破碎后，过筛得到粒径小于0. 5mm的粉末，加入0. 5mol/L的稀 盐酸于30X:洗4个小时后，过滤、烘干，得碳化锆粉末。
测定所得碳化锆粉末的组成表明产物中ZrC含量为96-98%，粒径为2-4um。见图1、 图2。从图1粉末的SEM照片中可以看出，制得的碳化锆粉末的粒径在2-4"m，从图2粉末 的XRD图中看到，所得的粉末的衍射峰对应为碳化锆的衍射峰，说明得到的碳化锆粉末纯度 高、粒径细小。
实施例2:
镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，它包括如下步骤
1) 原料粉末粒径分别为C粉lura， Zr02粉6um, Mg粉100um，按重量百分数为Zr02 粉67.2%, C粉6.6%, Mg粉26.2%，选取ZiU粉、C粉和Mg粉，备用；
2) 将ZrOa粉、C粉和Mg粉机械球磨混合8小时，球料比为3: 1,然后在高真空条件下 干燥12小时；将混合均匀的粉末装入反应器中，充氩气作为保护气氛，气压是0.2MPa，钨 丝点火燃烧使之发生自蔓延反应，反应在l-2分钟内完成，冷却后得到燃烧产物；
3) 将燃烧产物经球磨机破碎后，过筛得到粒径小于0.5ram的粉末，加入0. 5mo1/1的稀 盐酸于30'C洗4个小时后，过滤、烘干，得碳化锆粉末。
测定所得碳化锆粉末的组成表明产物中ZrC含量为96-98%,粒径为2-4 u m。 实施例3:
镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，它包括如下步骤
1) 原料粉末粒径分别为C粉liim， Zr02粉6um， Mg粉100um;按重量百分数为Zr02 粉67%, C粉6.9%, Mg粉26.1%,选取ZiU粉、C粉和Mg粉，备用；
2) 将Zr02粉、C粉和Mg粉机械球磨混合8小时，球料比为3: 1，然后在高真空条件下 干燥12小时；将混合均匀的粉末装入反应器中，充氩气作为保护气氛，气压是0.2MPa，鹆 丝点火燃烧使之发生自蔓延反应，反应在l-2分钟内完成，冷却后得到燃烧产物；
3) 将燃烧产物经球磨机破碎后，过筛得到粒径小于0. 5mm的粉末，加入0. 5mo1/1的稀 盐酸于30'C洗4个小时后，过滤、烘干，得碳化锆粉末。
测定所得粉末的组成表明产物中ZrC含量为96-98%，粒径为2-4um。 实施例4:
镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，它包括如下步骤
1) 按各原料重量百分数为ZrU粉68%、 C粉6%、 Mg粉26%,选取Zr02粉、C粉 和Mg粉，备用；Zr02粉的粒径小于7iim, C粉的粒径小于2 u m, Mg粉的粒径小于150u m;
2) 将Zr02粉、C粉和Mg粉均匀混合，将ZiU粉、C粉和Mg粉在真空条件下千燥10小 时，再将ZiU粉、C粉和Mg粉机械球磨混合5小时，球料比为3: 1;将均匀混合后的粉末 直接置于石墨(或其它高温承载坩埚)中，放入自蓃延高温合成装置(中国实用新型专利
ZL93216816.7)，并充氩气作为保护气氛，压强为0. lMPa，点火燃烧(采用钨丝点火，自蔓 延反应)，冷却后得到燃烧产物(碳化锆和氧化镁粉末)；
3) 将燃烧产物经研磨(球磨机破碎)后，过筛得到粒径小于0.5mm的粉末，将粉末置 于浓度为0. 5mol/L的盐酸中于20C酸洗1小时(酸洗除去氧化镁得到碳化锆)，所获产物经 过滤、烘干，即得碳化锆粉末。
实施例5:
镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，它包括如下步骤-
1) 按各原料重量百分数为Zr02粉67%、 C粉6%、 Mg粉27%,选取ZrU粉、C粉 和Mg粉，备用；Zr02粉的粒径小于7um, C粉的粒径小于2um， Mg粉的粒径小于150u m;
2) 将ZiU粉、C粉和Mg粉均匀混合，将Zr02粉、C粉和Mg粉在真空条件下干燥20小 时，再将Zr02粉、C粉和Mg粉机械球磨混合10小时，球料比为3: 1;将均匀混合后的粉末 压制成块状直接置于石墨(或其它高温承载坩埚)中，放入自蔓延高温合成装置(中国实用 新型专利ZL93216816.7)，并充氩气作为保护气氛，压强为0.2MPa,点火燃烧(采用钩丝 点火，自蔓延反应)，冷却后得到燃烧产物(碳化锆和氧化镁粉末)；
3) 将燃烧产物经研磨(球磨机破碎)后，过筛得到粒径小于0.5腿的粉末，将粉末置 于浓度为2. Omol/L的盐酸中于80'C酸洗10小时(酸洗除去氧化镁得到碳化锆)，所获产物 经过滤、烘干，即得碳化锆粉末。
权利要求
1.镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，其特征在于它包括如下步骤1)按各原料重量百分数为ZrO2粉67～68％、C粉6～7％、Mg粉26～27％，选取ZrO2粉、C粉和Mg粉，备用；2)将ZrO2粉、C粉和Mg粉均匀混合，将均匀混合后的粉末放入密闭容器，并充氩气作为保护气氛，压强为0.1～0.2MPa，点火燃烧，冷却后得到燃烧产物；3)将燃烧产物经研磨后，过筛得到粒径小于0.5mm的粉末，将粉末置于浓度为0.5～2.0mol/L的盐酸中于20～80℃酸洗1～10小时，所获产物经过滤、烘干，即得碳化锆粉末。
2. 根据权利要求1所述的镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，其特征在于步骤l) 所述的Zr02粉的粒径小于7 u m， C粉的粒径小于2 u m， Mg粉的粒径小于150 n m。
3. 根据权利要求1所述的镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，其特征在于步骤l) 所述的各原料重量百分数为Zr02粉67.2%、 C粉6.6%、 Mg粉26.2%。
4. 根据权利要求1所述的镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，其特征在于步骤l)所述的各原料重量百分数为ZiU粉67%、 C粉6.9%、 Mg粉26.1%。
5. 根据权利要求1所述的镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，其特征在于步骤2) 所述的将ZiU粉、C粉和Mg粉均匀混合为将ZiU粉、C粉和Mg粉在真空条件下干燥10 20小时，再将Zr02粉、C粉和Mg粉机械球磨混合5 10小时，球料比为3: 1。
6. 根据权利要求1所述的镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，其特征在于步骤2) 所述的密闭容器为自蔓延高温合成装置。
全文摘要
本发明涉及一种合成碳化锆粉末的方法。镁热燃烧还原合成碳化锆粉末的方法，其特征在于它包括如下步骤1)按各原料重量百分数为ZrO₂粉67～68％、C粉6～7％、Mg粉26～27％，选取ZrO₂粉、C粉和Mg粉，备用；2)将ZrO₂粉、C粉和Mg粉均匀混合，将均匀混合后的粉末放入密闭容器，并充氩气作为保护气氛，压强为0.1～0.2MPa，点火燃烧，冷却后得到燃烧产物；3)将燃烧产物经研磨后，过筛得到粒径小于0.5mm的粉末，将粉末置于浓度为0.5～2.0mol/L的盐酸中于20～80℃酸洗1～10小时，所获产物经过滤、烘干，即得碳化锆粉末。该方法工艺简单、合成时间短、成本低，得到的碳化锆粉末纯度高。
文档编号C01B31/00GK101357762SQ20081019689
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月9日 优先权日2008年9月9日
发明者傅正义, 帆 张, 张清杰, 张金咏, 皓 王, 王为民, 王玉成 申请人:武汉理工大学