專利名稱：一步合成高純二硼化鋯－三氧化二鋁陶瓷復(fù)合粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用自蔓延高溫還原技術(shù)一步合成高純二硼化鋯-三氧化二鋁陶瓷復(fù)合粉末的方法。
背景技術(shù)：
硼化物系復(fù)合陶瓷材料，因其具有極高的熔點(diǎn)、高的強(qiáng)度、高的硬度、高的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的耐腐蝕性、耐磨性等一系列優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)工具材料、磨料、合金添加劑及耐磨部件等工程結(jié)構(gòu)件上。同時(shí)作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷在航天、裝甲和冶煉等方面具有很大的應(yīng)用潛力，被認(rèn)為是一類有希望的耐高溫復(fù)合材料。硼化物陶瓷復(fù)合粉末的研制是制備這些材料的基礎(chǔ)。由于該類材料熔點(diǎn)高，制備困難，因此制備高純度、低成本、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)硼化物陶瓷粉末的技術(shù)一直是各國(guó)工業(yè)界和科技界廣泛研究的課題。傳統(tǒng)制備硼化物系陶瓷粉末的方法主要有熔融電解法、等離子合成法和碳熱還原法等。但這些方法制備工藝均較復(fù)雜，而且所制備出的粉末純度不高，晶粒也較粗大。另外所使用的設(shè)備也較復(fù)雜，能耗和時(shí)耗大，從而使制造成本提高。此外，元素合成法和化學(xué)氣相沉積法也因成本昂貴，難于工業(yè)化應(yīng)用。自蔓延高溫合成技術(shù)是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的用于合成硼化物系陶瓷粉末的一種有效的方法。該方法是通過(guò)強(qiáng)烈的放熱化學(xué)反應(yīng)自發(fā)地使合成反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成。該方法工藝設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，合成產(chǎn)物純度高，節(jié)約能源，可獲得高活性的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物，成本低廉。有關(guān)利用自蔓延高溫合成法制備硼化物及其復(fù)合材料的研究已見(jiàn)報(bào)道。但大多都集中在硼化鈦系陶瓷材料的研究上，對(duì)二硼化鋯及復(fù)合陶瓷材料的研究尚未充分展開(kāi)，尤其是利用活潑金屬作還原劑的自蔓延高溫還原合成一步制備高純ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種利用自蔓延高溫還原技術(shù)一步合成高純二硼化鋯-三氧化二鋁(ZrB2-Al2O3)陶瓷復(fù)合粉末的方法。
本發(fā)明提出的利用自蔓延高溫還原技術(shù)一步合成高純二硼化鋯-三氧化二鋁陶瓷復(fù)合粉末的方法，是采用活潑金屬鋁(Al)作還原劑，采用天然礦物二氧化鋯(ZrO2)和三氧化二硼(B2O3)粉末為原料，根據(jù)還原合成化學(xué)反應(yīng)方程
(1)按化學(xué)計(jì)量配料，并將各種粉料放入球磨機(jī)中球磨干混混勻，ZrO2、B2O3、Al的質(zhì)量比為(1～2)∶(1～2)∶(5～10)，球料比為(2～3)∶(1～2)，球磨時(shí)間8～12h；然后將混合料在5～20MPa的壓力下壓制成密度相當(dāng)于理論密度的40～60％的坯體，將坯體放置于具有氬氣氣氛保護(hù)的自蔓延高溫還原合成反應(yīng)裝置內(nèi)進(jìn)行SHS合成反應(yīng)，點(diǎn)火源采用平行于試樣表面的鎢絲發(fā)熱圈，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)磨碎、過(guò)篩，即可得到高純ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末。
上述方法中，合成原料二氧化鋯粉(ZrO2)、三氧化二硼粉(B2O3)和鋁粉(Al)的粒徑以下述規(guī)格為較好ZrO2粉小于70μm，B2O3粉小于150μm，Al粉小于150μm；混合料采用機(jī)械干混法混勻，球磨介質(zhì)為瑪瑙球。
由上述方法合成的ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末純度高，可達(dá)97～99％；晶粒細(xì)，為1～5μm。細(xì)小顆粒的粉末，對(duì)粉末的成型和燒結(jié)是十分有利的。另外，上述復(fù)合粉末的SHS合成過(guò)程中，由于反應(yīng)在幾秒內(nèi)完成，溫度高(2000℃左右)，反應(yīng)的升、降溫速度快，使得合成的復(fù)合粉末中的ZrB2晶粒內(nèi)部產(chǎn)生一定的位錯(cuò)，這也對(duì)粉末的燒結(jié)及后續(xù)成型加工是非常有益的。這說(shuō)明用上述方法合成的ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末將具有良好的成型性能和燒結(jié)行為。本發(fā)明采用價(jià)格低廉而又易得到的天然礦物為原料，保證了ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末的低成本合成。另外，制備工藝采用常規(guī)的金屬還原方法，而且制備過(guò)程中不需要高能源復(fù)雜的龐大設(shè)備，因此，該方法制備工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，生產(chǎn)效率高，制造成本低，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實(shí)施例1取粒徑為65～70μm的ZrO220g，140～150μm的B2O320g和100～150μm的Al粉100g，置于球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械干混8h，球料比為2∶1。將混合料在5MPa壓力下壓制成密度相當(dāng)于理論密度的40％的坯體。然后將坯體置于有氬氣氣氛保護(hù)的自蔓延高溫還原合成裝置中進(jìn)行燃燒合成。合成反應(yīng)后將產(chǎn)物磨碎過(guò)篩，便得到純度為97～99％，粒徑為3～5μm的ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末。
實(shí)施例2取粒徑分別為60～65μm，100～120μm，100～150μm的ZrO2，B2O3和Al粉末30g，30g和150g置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨干混9h，球料比為2∶1。將混好的料在10MPa壓力下壓制成密度相當(dāng)于理論密度的50％的坯體。然后將坯體置于有氬氣氣氛保護(hù)的自蔓延高溫還原合成裝置中進(jìn)行燃燒合成。合成反應(yīng)后將產(chǎn)物磨碎過(guò)篩，便得到純度為97～99％，粒徑為2～4μm的ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末。
實(shí)施例3取粒徑為55～60μm的ZrO240g，85～100μm的B2O340g和120～150μm的Al粉200g，置于球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械干混11h，球料比為3∶2。將混合料在15MPa壓力下壓制成密度相當(dāng)于理論密度的55％的坯體。然后將坯體置于有氬氣氣氛保護(hù)的自蔓延高溫還原合成裝置中進(jìn)行燃燒合成。合成反應(yīng)后將產(chǎn)物磨碎過(guò)篩，便得到純度為97～99％，粒徑為1～4μm的ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末。
實(shí)施例4取粒徑分別為40～50μm，75～85μm，110～120μm的ZrO2，B2O3和Al粉末50g，50g和250g置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨干混12h，球料比為3∶1。將混好的料在20MPa壓力下壓制成密度相當(dāng)于理論密度的60％的坯體。然后將坯體置于有氬氣氣氛保護(hù)的自蔓延高溫還原合成裝置中進(jìn)行燃燒合成。合成反應(yīng)后將產(chǎn)物磨碎過(guò)篩，便得到純度為97～99％，粒徑為1～3μm的ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末。
實(shí)施例5取粒徑為30～40μm的ZrO240g，50～60μm的B2O340g和100～120μm的Al粉200g，置于球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械干混12h，球料比為3∶1。將混合料在20MPa壓力下壓制成密度相當(dāng)于理論密度的60％的坯體。然后將坯體置于有氬氣氣氛保護(hù)的自蔓延高溫還原合成裝置中進(jìn)行燃燒合成。合成反應(yīng)后將產(chǎn)物磨碎過(guò)篩，便得到純度為97～99％，粒徑為1～2μm的ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末。
權(quán)利要求
1.一種利用自蔓延高溫還原技術(shù)一步合成高純二硼化鋯-三氧化二鋁陶瓷復(fù)合粉末的方法，其特征是采用活潑金屬鋁(Al)作還原劑，采用天然礦物二氧化鋯(ZrO2)和三氧化二硼(B2O3)的粉末為原料，按化學(xué)計(jì)量配料，并將各種粉料放入球磨機(jī)中球磨干混混勻；ZrO2、B2O3、Al的質(zhì)量比為(1～2)∶(1～2)∶(5～10)，球料比為(2～3)∶(1～2)，球磨時(shí)間8～12h；然后將混合料在5～20MPa的壓力下壓制成密度相當(dāng)于理論密度的40～60％的坯體，將坯體放置于具有氬氣氣氛保護(hù)的自蔓延高溫還原合成反應(yīng)裝置內(nèi)進(jìn)行SHS合成反應(yīng)，點(diǎn)火源采用平行于試樣表面的鎢絲發(fā)熱圈，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)粉碎、過(guò)篩，即可得到高純ZrB2-Al2O3陶瓷復(fù)合粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于合成原料ZrO2、B2O3和Al的粒徑分別為ZrO2粉小于70μm，B2O3粉小于150μm，Al粉小于150μm。
全文摘要
本發(fā)明是利用自蔓延高溫還原技術(shù)一步合成二硼化鋯(ZrB
文檔編號(hào)C04B35/58GK1587188SQ20041005264
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月8日
發(fā)明者楊振國(guó), 于志強(qiáng) 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)