一种低成本水基ZrC-SiC陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法

本发明涉及陶瓷复合粉体制备，尤其是涉及一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法。

背景技术：

1、zrc陶瓷作为最具应用潜力的超高温陶瓷(uhtcs)材料，具有高熔点、高硬度、高热导和电导率、以及高的化学稳定性等特点，使得zrc陶瓷在高温环境下具有优良的性能，被广泛应用于发射器表面涂层、核燃料颗粒涂层、热光电辐射器涂层以及超高温耐火材料等领域。将一定比例的sic陶瓷相引入zrc中，可以起到细化晶粒和烧结助剂的作用，进而提升陶瓷材料的性能。

2、近年来，由于前驱体热解裂解转化制备陶瓷的方法能得到可设计性强、组分均匀、裂解温度低的陶瓷基体而备受关注，其作为制备陶瓷颗粒粉体、块体以及复合材料的重要方法已经得到广泛应用。目前硅锆前驱体的制备方法目前研究广泛的主要包含锆金属的氯取代物为起始原料的有机合成方法和锆金属的配合物为起始原料的溶胶凝胶法这两大类。

3、锆金属的氯取代物为起始原料的有机合成方法如文献“wu h,zhang q,zhangl.effect of zrc content on the properties of biomorphic c–zrc–sic compositesprepared using hybrid precursors of novel organometallic zirconium polymerand polycarbosilane[j].journal of the european ceramic society,2019,39(4):890-897.”所述的格式偶联反应、文献“cai t,qiu w f,liu d,et al.synthesis ofsoluble poly-yne polymers containing zirconium and silicon and correspondingconversion to nanosized zrc/sic composite ceramics[j].dalton transactions,2013,42(12):4285-4290”和文献“wu y,chen f,han w,et al.synthesis and pyrolysisof non-oxide precursors for zrc/sic and hfc/sic composite ceramics[j].ceramics international,2020,46(14):22102-22107”所述的应用丁基锂取代缩合反应、文献“wang h,gao b,chen x,et al.synthesis and pyrolysis of a novel preceramicpolymer pzms from pms to fabricate high-temperature-resistant zrc/sic ceramiccomposite[j].applied organometallic chemistry,2013,27(3):166-173”所述的锆金属的氯取代物的衍生物二茂二乙烯锆的硅氢化反应等。但是这些反应会引入工业难以去除的氯化物副产物。锆金属的配合物为起始原料的溶胶凝胶法的典型方法如中国专利“cn110357632a”所述。乙酰丙酮锆和正丙醇锆等方法制备的前驱体成本过高，每公斤的价格在万元以上，此外需长期储存的前驱体在制备过程条件控制要求严格。

4、针对上述应用需求和研究现状，如果开发出简单易行且成本低廉、不含腐蚀性氯元素的制备方法，制备出具有一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，将能够显著提升zrc-sic陶瓷的应用潜力和应用场景。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，能够有效解决当前陶瓷材料制备过程复杂、成本过高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，包括以下步骤：

3、步骤一、制备锆前驱体

4、以乙酸锆为锆原料，冰乙酸为水解催化剂，在水溶液中水解制备锆前驱体；

5、步骤二、制备正硅酸乙酯溶液

6、将正硅酸乙酯溶于乙醇中配制正硅酸乙酯溶液；

7、步骤三、制备硅锆前驱体

8、将锆前驱体和正硅酸乙酯溶液进行混合，混合时加入碳源溶液制得硅锆前驱体；

9、步骤四、制备zrc-sic陶瓷粉体

10、将硅锆前驱体溶液在鼓风干燥箱中烘干，产物在惰性气体氛围中高温裂解得到zrc-sic陶瓷粉体。

11、优选的，所述步骤一中乙酸锆与冰乙酸的物质的量的比为1:0.5-1.5，乙酸锆与总水的质量比为1:1-3。

12、优选的，所述乙酸锆与冰乙酸的物质的量比为1:0.8-1.2，乙酸锆与总水的质量比为1:1.5-2.5。

13、优选的，所述步骤三中碳源溶液的制备方法为：将水溶性碳源溶于去离子水中，制得碳源溶液，其中，水溶性碳源为蔗糖、葡萄糖、聚乙烯醇等高分子化合物中的一种。

14、优选的，所述碳源溶液中碳的物质的量和正硅酸乙酯与乙酸锆的物质的量之和的比值为(3-9):1。

15、优选的，所述步骤三中制备硅锆前驱体时使用磁力搅拌进行混合。

16、优选的，所述步骤四的具体操作为：将硅锆前驱体溶液在鼓风干燥箱中一定温度下放置在石墨坩中，之后在氩气气氛保护下进行热处理，热处理后恒温2h，并随炉冷却到室温，最终得到zrc-sic陶瓷粉体。

17、优选的，所述热处理温度为1450-1800℃，热处理时间为1-2h。

18、优选的，所述热处理升温速率为1000℃以下6-10℃/min，1000℃以上为4-6℃/min。

19、优选的，所述zrc-sic陶瓷粉体组分分布均匀。

20、为了得到更加纯净的产物，不同的是工艺中后处理增加如下步骤：将上述得到的产物在高温500℃空气气氛中烧结一段时间，除掉未反应的碳；再将产物浸入hno3和hf的混合溶液的中，除掉sio2等杂质，然后用蒸馏水洗涤，过滤、干燥得到最终产品。

21、因此，本发明采用上述一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，原料安全无毒且成本低廉，工艺简单，反应过程易控制，合成温度低，且所制备的陶瓷粉体粒径细小均匀且分散性好，适宜于规模化生产。

22、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述步骤一中乙酸锆与冰乙酸的物质的量的比为1:0.5-1.5，乙酸锆与总水的质量比为1:1-3。

3.根据权利要求2所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述乙酸锆与冰乙酸的物质的量比为1:0.8-1.2，乙酸锆与总水的质量比为1:1.5-2.5。

4.根据权利要求1所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述步骤三中碳源溶液的制备方法为：将水溶性碳源溶于去离子水中，制得碳源溶液，其中，水溶性碳源为蔗糖、葡萄糖、聚乙烯醇等高分子化合物中的一种。

5.根据权利要求4所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述碳源溶液中碳的物质的量和正硅酸乙酯与乙酸锆的物质的量之和的比值为(3-9):1。

6.根据权利要求1所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述步骤三中制备硅锆前驱体时使用磁力搅拌进行混合。

7.根据权利要求1所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述步骤四的具体操作为：将硅锆前驱体溶液在鼓风干燥箱中一定温度下放置在石墨坩中，之后在氩气气氛保护下进行热处理，热处理后恒温2h，并随炉冷却到室温，最终得到zrc-sic陶瓷粉体。

8.根据权利要求7所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述热处理温度为1450-1800℃，热处理时间为1-2h。

9.根据权利要求7所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述热处理升温速率为1000℃以下6-10℃/min，1000℃以上为4-6℃/min。

10.根据权利要求1所述的一种低成本水基zrc-sic陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，其特征在于，所述zrc-sic陶瓷粉体组分分布均匀。

技术总结
本发明公开了一种低成本水基ZrC‑SiC陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，属于陶瓷复合粉体制备技术领域，以乙酸锆和正硅酸乙酯水解制备溶胶，同时加入碳源，以得到水基ZrC‑SiC陶瓷前驱体，将硅锆前驱体溶液烘干后，在氩气气氛保护下，1450‑1800℃热处理后，得到分散性好的ZrC‑SiC陶瓷粉体。本发明采用上述的一种低成本水基ZrC‑SiC陶瓷前驱体制备复合粉体的工艺方法，原料安全无毒且成本低廉，工艺简单，反应过程易控制，合成温度低，且所制备的陶瓷粉体粒径细小均匀且分散性好，适宜于规模化生产。

技术研发人员：张中伟,李玮洁,刘凯强,韩伟健,洪义强,叶丽
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/18