专利名称：一种制备碳化锆陶瓷粉末的方法
技术领域：
本发明属于陶瓷粉末制备技术领域，特别是提供了一种制备纳米级碳化锆陶瓷粉末的方法。
背景技术：
碳化锆(ZrC)为难熔金属碳化物，具有优良的热传导和电传导性，其中电传导能力和金属相当。ZrC具有良好的耐辐射性能，是一种较好的替代传统包覆燃料颗粒SiC涂层的材料。另外，ZrC还适用于发射器外壳涂层、核燃料颗粒涂层、热光电辐射器涂层以及超高温材料等许多领域。高质量的粉末原料是获得高性能产品的先决条件，要制备性能优异的&C陶瓷材料，首先需要制备出高纯度、细粒度、烧结性能良好的ZrC粉末。目前，制备ZrC粉末的方法主要有电弧炉碳热还原法、自蔓延高温合成法(SHS)、溶胶-凝胶法、激光气相反应法、钠还原法、高能球磨法等。其中碳热还原法是较经典的一种，与其他方法相比，该方法制备的 ZrC粉末纯度高，粉末分散性好，形貌、粒度可控，烧结性能好；并且，碳热还原法已是目前工业制备ZrC粉末最重要的方法，该方法适宜规模化生产，并在生产中得到了广泛应用。传统碳热还原法制备ZrC陶瓷粉末通常采用锆英砂(ZrSiO4)或者斜锆石(ZrO2) 为前驱体在电弧炉中被碳黑直接还原碳化生成ZrC粉末。由于前驱体和炭黑两者存在较大的比重和极性差异，二者很难混合均勻，容易造成反应不完全，且合成的原始粉末平均粒径大；另外，高的反应温度对炉体损坏严重；且反应时间长、能量消耗大、生产能力低、成本高。因此，该方法有待进一步改善。
发明内容
本发明目的在于提供一种碳热还原法制备碳化锆陶瓷粉末的新方法，解决传统碳热还原法直接以锆英砂(ZrSiO4)或斜锆石(ZrO2)陶瓷粉末和碳黑为原料时引起的混料不均、反应温度高、反应时间长、成本高等问题。一种制备碳化锆陶瓷粉末的方法，其特征在于通过改善原料混合方法，使粒度更小的亚微粒子直接接触反应，提高前驱物的反应活性，有利于使前驱物在较低温度条件下合成高纯度、细粒度的陶瓷粉末。本发明是通过以下步骤实现的
1.原料及配比所采用的锆源为硝酸锆[Zr(NO3)4]或氧氯化锆(ZrOCl2)；碳源为葡萄糖；添加剂为尿素、硝酸或硝酸铵。锆源和碳源按照摩尔比& :C = 1 (5 15)的配比；+5 价的氮元素与_ 3价的氮元素按照摩尔比N+5 :N_3 = 1 (0. 1 10)的配比。2.前驱物的制备首先将硝酸锆或氧氯化锆、葡萄糖，及尿素与硝酸或硝酸铵中的一种或二种混合物溶于去离子水中，得到均勻混合溶液，再将混合溶液在150 600°C温度下加热，混合溶液发生反应后得到前驱物。3.前驱物的预处理将所得的前驱物粉碎后，在500 800°C的空气气氛下预处理0 5 h，得到合适的锆碳比。4.前驱物的碳热还原反应。将步骤3得到的前驱物在1300 1600°C的流动氩气气氛中碳热还原广20h，氩气流量为1 101/min。反应产物经后续处理，得到碳化锆粉末。本发明的优点在于
1.前驱物中锆源和碳源粒度细小、混合均勻，反应活性好，能大大降低碳热还原反应温度，提高反应速率，制备出分散性能良好的纳米级碳化锆陶瓷粉末。2.原材料来源广泛，价格低廉，生产成本低；制备的碳化锆纳米粉性能稳定，生产工艺简单，可实现大批量生产。
具体实施例方式实施例1
称取葡萄糖0. Imol，硝酸锆0. Imol，尿素0. Imol，硝酸铵0. 02molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于300°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在500°C的空气中处理 5h。将所得物质在1400°C、氩气流量为31/min的条件下反应8h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例2:
称取葡萄糖0. 2mol，氧氯化锆0. Imol，尿素0. lmol，硝酸0. 2mol，硝酸铵0. 02mol。将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于400°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在600°C 的空气中处理2h。将所得物质在1500°C、氩气流量为31/min的条件下反应5h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例3:
称取葡萄糖0. 3mol，硝酸锆0. Imol，尿素0. Imol，硝酸铵0. 05molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于300°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在700°C的空气中处理 0.5h。将所得物质在1500°C、氩气流量为31/min的条件下反应8h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例4:
称取葡萄糖0. Imol，硝酸锆0. Imol，尿素0. Imol，硝酸铵0. 02molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于500°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在700°C的空气中处理 0.5h。将所得物质在1400°C、氩气流量为31/min的条件下反应12h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例5:
称取葡萄糖0. 15mol，硝酸锆0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸铵0. 05molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于200°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在600°C的空气中处理 lh。将所得物质在1600°C、氩气流量为31/min的条件下反应2h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例6:
称取葡萄糖0. Imol，氧氯化锆0. lmol，尿素0. 2mol，硝酸0. 6mol，硝酸铵0. 02mol。将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于400°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在600°C 的空气中处理0. 5h。将所得物质在1400°C、氩气流量为21/min的条件下反应10h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例7:
称取葡萄糖0. 2mol，硝酸锆0. Imol，尿素0. Imol，硝酸铵0. Imol0将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于400°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在500°C的空气中处理 4h。将所得物质在1300°C、氩气流量为31/min的条件下反应10h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例8
称取葡萄糖0. Imol，硝酸锆0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸铵0. 02molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于600°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在600°C的空气中处理 0.2h。将所得物质在1600°C、氩气流量为31/min的条件下反应5h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例9:
称取葡萄糖0. 2mol，硝酸锆0. Imol，尿素0. 5mol，硝酸铵0. 02molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于400°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在500°C的空气中处理 4h。将所得物质在1500°C、氩气流量为31/min的条件下反应10h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例10
称取葡萄糖0. 2mol，氧氯化锆0. Imol，尿素0. 4mol，硝酸0. 5mol，硝酸铵0. 02molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于500°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在500°C 的空气中处理3h。将所得物质在1600°C、氩气流量为31/min的条件下反应6h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例11
称取葡萄糖0. 3mol，硝酸锆0. Imol，尿素0. Imol，硝酸铵0. Olmol。将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于200°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在600°C的空气中处理 lh。将所得物质在1400°C、氩气流量为61/min的条件下反应15h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例12
称取葡萄糖0. 2mol，硝酸锆0. Imol，尿素0. 3mol，硝酸铵0. 06molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于600°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在600°C的空气中处理 0.5h。将所得物质在1500°C、氩气流量为11/min的条件下反应12h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例13
称取葡萄糖0. Imol，氧氯化锆0. lmol，尿素0. 2mol，硝酸0. 5mol，硝酸铵0. 03mol。将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于150°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在700°C 的空气中处理lh。将所得物质在1500°C、氩气流量为21/min的条件下反应8h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。实施例14
称取葡萄糖0. Imol，硝酸锆0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸铵0. 02molo将上述各种水溶性原料溶于去离子水中得到混合溶液。将混合溶液置于400°C的可控温电炉上加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后得到前驱物。将前驱物粉碎后在800°C的空气中处理 0.5h。将所得物质在1300°C、氩气流量为31/min的条件下反应20h，得到反应产物。反应产物经后续处理得到碳化锆粉末。
权利要求
1. 一种制备碳化锆陶瓷粉末的方法，其特征在于通过改善原料混合方法，使粒度更小的亚微粒子直接接触反应，提高前驱物的反应活性，有利于使前驱物在较低温度条件下合成高纯度、细粒度的陶瓷粉末；具体工艺为a.原料及配比所采用的锆源为硝酸锆或氧氯化锆；碳源为葡萄糖；添加剂为尿素、 硝酸铵或硝酸；锆源和碳源按照摩尔比为& :C = 1 (5 18)的配比；+5价的氮元素与_ 3 价的氮元素按照摩尔比为矿5 =N-3 = 1 :(0. 1 10)的配比；b.前驱物的制备首先将硝酸锆或氧氯化锆、葡萄糖，及尿素与硝酸或硝酸铵中的一种或二种混合物溶于去离子水中，得到均勻混合溶液，再将混合溶液在150 600°C温度下加热，混合溶液发生反应后得到前驱物；c.将前驱物粉碎后在500 800°C的空气中处理0 5h，得到合适的锆碳比；d.前驱物的碳热还原反应将步骤c得到的前驱物在1300 1600°C的流动氩气气氛中碳热还原1 20h，氩气的流量为1 101/min ；碳热还原反应产物经后续处理，得到纳米级碳化锆陶瓷粉末。
全文摘要
一种制备碳化锆陶瓷粉末的方法，属于陶瓷粉末制备领域。通过改善原料混合方法，使粒度更小的亚微粒子直接接触反应，提高前驱物的反应活性，有利于使前驱物在较低温度条件下合成高纯度、细粒度的陶瓷粉末；锆源为硝酸锆或氧氯化锆；碳源为葡萄糖；添加剂为尿素、硝酸铵、硝酸。锆源和碳源的摩尔比为ZrC＝1(5～18)的配比；+5价的氮元素与–3价的氮元素摩尔比为N+5N-3＝1(0.1～10)。本发明前驱物中锆源和碳源粒度细小、混合均匀，反应活性好，能降低碳热还原反应温度，提高反应速率，制备出分散性能良好的纳米级碳化锆陶瓷粉末；此外，原材料来源广泛，价格低廉，生产成本低，制备的碳化锆纳米粉性能稳定，生产工艺简单，可实现大批量生产。
文档编号C04B35/626GK102515164SQ201110389769
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者储爱民, 曲选辉, 秦明礼, 贾宝瑞, 鲁慧峰 申请人:北京科技大学