一步合成高纯二硼化锆－三氧化二铝陶瓷复合粉末的方法.pdf

本发明是利用自蔓延高温还原技术一步合成二硼化锆(ZrB2)－三氧化二铝(Al2O3)陶瓷复合粉末的方法。采用活泼金属还原剂和价格低廉的氧化物为原料，通过强烈的放热化学反应自发地合成高纯ZrB2－Al2O3陶瓷复合粉末。具体过程是将二氧化锆(ZrO2)、三氧化二硼(B2O3)和金属铝(Al)粉末均匀混合并模压成型，然后在常温下置于氩气保护的自蔓延高温合成装置中，点火燃烧，燃烧产物经粉碎后得到高纯ZrB2－Al2O3陶瓷复合粉末。本发明与传统陶瓷粉末制备工艺相比，所合成的粉末纯度高，晶粒细小，工艺简单，能耗和时耗小，制造成本低。

1.  一种利用自蔓延高温还原技术一步合成高纯二硼化锆-三氧化二铝陶瓷复合粉末的方法，其特征是采用活泼金属铝(Al)作还原剂，采用天然矿物二氧化锆(ZrO₂)和三氧化二硼(B₂O₃)的粉末为原料，按化学计量配料，并将各种粉料放入球磨机中球磨干混混匀；ZrO₂、B₂O₃、Al的质量比为(1～2)∶(1～2)∶(5～10)，球料比为(2～3)∶(1～2)，球磨时间8～12h；然后将混合料在5～20MPa的压力下压制成密度相当于理论密度的40～60％的坯体，将坯体放置于具有氩气气氛保护的自蔓延高温还原合成反应装置内进行SHS合成反应，点火源采用平行于试样表面的钨丝发热圈，反应产物经粉碎、过筛，即可得到高纯ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于合成原料ZrO₂、B₂O₃和Al的粒径分别为：ZrO₂粉小于70μm，B₂O₃粉小于150μm，Al粉小于150μm。

一步合成高纯二硼化锆-三氧化二铝陶瓷复合粉末的方法
技术领域
本发明属陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种采用自蔓延高温还原技术一步合成高纯二硼化锆-三氧化二铝陶瓷复合粉末的方法。
背景技术
硼化物系复合陶瓷材料，因其具有极高的熔点、高的强度、高的硬度、高的化学稳定性以及优异的耐腐蚀性、耐磨性等一系列优良性能而被广泛应用于硬质工具材料、磨料、合金添加剂及耐磨部件等工程结构件上。同时作为高温结构陶瓷在航天、装甲和冶炼等方面具有很大的应用潜力，被认为是一类有希望的耐高温复合材料。硼化物陶瓷复合粉末的研制是制备这些材料的基础。由于该类材料熔点高，制备困难，因此制备高纯度、低成本、可大规模工业化生产硼化物陶瓷粉末的技术一直是各国工业界和科技界广泛研究的课题。传统制备硼化物系陶瓷粉末的方法主要有：熔融电解法、等离子合成法和碳热还原法等。但这些方法制备工艺均较复杂，而且所制备出的粉末纯度不高，晶粒也较粗大。另外所使用的设备也较复杂，能耗和时耗大，从而使制造成本提高。此外，元素合成法和化学气相沉积法也因成本昂贵，难于工业化应用。自蔓延高温合成技术是近十年来发展起来的用于合成硼化物系陶瓷粉末的一种有效的方法。该方法是通过强烈的放热化学反应自发地使合成反应在短时间内完成。该方法工艺设备相对简单，生产效率高，合成产物纯度高，节约能源，可获得高活性的亚稳态产物，成本低廉。有关利用自蔓延高温合成法制备硼化物及其复合材料的研究已见报道。但大多都集中在硼化钛系陶瓷材料的研究上，对二硼化锆及复合陶瓷材料的研究尚未充分展开，尤其是利用活泼金属作还原剂的自蔓延高温还原合成一步制备高纯ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末的研究尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用自蔓延高温还原技术一步合成高纯二硼化锆-三氧化二铝(ZrB₂-Al₂O₃)陶瓷复合粉末的方法。
本发明提出的利用自蔓延高温还原技术一步合成高纯二硼化锆-三氧化二铝陶瓷复合粉末的方法，是采用活泼金属铝(Al)作还原剂，采用天然矿物二氧化锆(ZrO₂)和三氧化二硼(B₂O₃)粉末为原料，根据还原合成化学反应方程：
                                    (1)
按化学计量配料，并将各种粉料放入球磨机中球磨干混混匀，ZrO₂、B₂O₃、Al的质量比为(1～2)∶(1～2)∶(5～10)，球料比为(2～3)∶(1～2)，球磨时间8～12h；然后将混合料在5～20MPa的压力下压制成密度相当于理论密度的40～60％的坯体，将坯体放置于具有氩气气氛保护的自蔓延高温还原合成反应装置内进行SHS合成反应，点火源采用平行于试样表面的钨丝发热圈，反应产物经磨碎、过筛，即可得到高纯ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末。
上述方法中，合成原料二氧化锆粉(ZrO₂)、三氧化二硼粉(B₂O₃)和铝粉(Al)的粒径以下述规格为较好：ZrO₂粉小于70μm，B₂O₃粉小于150μm，Al粉小于150μm；混合料采用机械干混法混匀，球磨介质为玛瑙球。
由上述方法合成的ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末纯度高，可达97～99％；晶粒细，为1～5μm。细小颗粒的粉末，对粉末的成型和烧结是十分有利的。另外，上述复合粉末的SHS合成过程中，由于反应在几秒内完成，温度高(2000℃左右)，反应的升、降温速度快，使得合成的复合粉末中的ZrB₂晶粒内部产生一定的位错，这也对粉末的烧结及后续成型加工是非常有益的。这说明用上述方法合成的ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末将具有良好的成型性能和烧结行为。本发明采用价格低廉而又易得到的天然矿物为原料，保证了ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末的低成本合成。另外，制备工艺采用常规的金属还原方法，而且制备过程中不需要高能源复杂的庞大设备，因此，该方法制备工艺简单，节约能源，生产效率高，制造成本低，适合于大规模工业化生产。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1
取粒径为65～70μm的ZrO₂20g，140～150μm的B₂O₃20g和100～150μm的Al粉100g，置于球磨机中进行机械干混8h，球料比为2∶1。将混合料在5MPa压力下压制成密度相当于理论密度的40％的坯体。然后将坯体置于有氩气气氛保护的自蔓延高温还原合成装置中进行燃烧合成。合成反应后将产物磨碎过筛，便得到纯度为97～99％，粒径为3～5μm的ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末。
实施例2
取粒径分别为60～65μm，100～120μm，100～150μm的ZrO₂，B₂O₃和Al粉末30g，30g和150g置于球磨机中进行球磨干混9h，球料比为2∶1。将混好的料在10MPa压力下压制成密度相当于理论密度的50％的坯体。然后将坯体置于有氩气气氛保护的自蔓延高温还原合成装置中进行燃烧合成。合成反应后将产物磨碎过筛，便得到纯度为97～99％，粒径为2～4μm的ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末。
实施例3
取粒径为55～60μm的ZrO₂40g，85～100μm的B₂O₃40g和120～150μm的Al粉200g，置于球磨机中进行机械干混11h，球料比为3∶2。将混合料在15MPa压力下压制成密度相当于理论密度的55％的坯体。然后将坯体置于有氩气气氛保护的自蔓延高温还原合成装置中进行燃烧合成。合成反应后将产物磨碎过筛，便得到纯度为97～99％，粒径为1～4μm的ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末。
实施例4
取粒径分别为40～50μm，75～85μm，110～120μm的ZrO₂，B₂O₃和Al粉末50g，50g和250g置于球磨机中进行球磨干混12h，球料比为3∶1。将混好地料在20MPa压力下压制成密度相当于理论密度的60％的坯体。然后将坯体置于有氩气气氛保护的自蔓延高温还原合成装置中进行燃烧合成。合成反应后将产物磨碎过筛，便得到纯度为97～99％，粒径为1～3μm的ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末。
实施例5
取粒径为30～40μm的ZrO₂40g，50～60μm的B₂O₃40g和100～120μm的Al粉200g，置于球磨机中进行机械干混12h，球料比为3∶1。将混合料在20MPa压力下压制成密度相当于理论密度的60％的坯体。然后将坯体置于有氩气气氛保护的自蔓延高温还原合成装置中进行燃烧合成。合成反应后将产物磨碎过筛，便得到纯度为97～99％，粒径为1～2μm的ZrB₂-Al₂O₃陶瓷复合粉末。