專利名稱：一種制備碳化鋯陶瓷粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷粉末制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種制備納米級(jí)碳化鋯陶瓷粉末的方法。
背景技術(shù)：
碳化鋯(ZrC)為難熔金屬碳化物，具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)性，其中電傳導(dǎo)能力和金屬相當(dāng)。ZrC具有良好的耐輻射性能，是一種較好的替代傳統(tǒng)包覆燃料顆粒SiC涂層的材料。另外，ZrC還適用于發(fā)射器外殼涂層、核燃料顆粒涂層、熱光電輻射器涂層以及超高溫材料等許多領(lǐng)域。高質(zhì)量的粉末原料是獲得高性能產(chǎn)品的先決條件，要制備性能優(yōu)異的&C陶瓷材料，首先需要制備出高純度、細(xì)粒度、燒結(jié)性能良好的ZrC粉末。目前，制備ZrC粉末的方法主要有電弧爐碳熱還原法、自蔓延高溫合成法(SHS)、溶膠-凝膠法、激光氣相反應(yīng)法、鈉還原法、高能球磨法等。其中碳熱還原法是較經(jīng)典的一種，與其他方法相比，該方法制備的 ZrC粉末純度高，粉末分散性好，形貌、粒度可控，燒結(jié)性能好；并且，碳熱還原法已是目前工業(yè)制備ZrC粉末最重要的方法，該方法適宜規(guī)?；a(chǎn)，并在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)碳熱還原法制備ZrC陶瓷粉末通常采用鋯英砂(ZrSiO4)或者斜鋯石(ZrO2) 為前驅(qū)體在電弧爐中被碳黑直接還原碳化生成ZrC粉末。由于前驅(qū)體和炭黑兩者存在較大的比重和極性差異，二者很難混合均勻，容易造成反應(yīng)不完全，且合成的原始粉末平均粒徑大；另外，高的反應(yīng)溫度對(duì)爐體損壞嚴(yán)重；且反應(yīng)時(shí)間長、能量消耗大、生產(chǎn)能力低、成本高。因此，該方法有待進(jìn)一步改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種碳熱還原法制備碳化鋯陶瓷粉末的新方法，解決傳統(tǒng)碳熱還原法直接以鋯英砂(ZrSiO4)或斜鋯石(ZrO2)陶瓷粉末和碳黑為原料時(shí)引起的混料不均、反應(yīng)溫度高、反應(yīng)時(shí)間長、成本高等問題。一種制備碳化鋯陶瓷粉末的方法，其特征在于通過改善原料混合方法，使粒度更小的亞微粒子直接接觸反應(yīng)，提高前驅(qū)物的反應(yīng)活性，有利于使前驅(qū)物在較低溫度條件下合成高純度、細(xì)粒度的陶瓷粉末。本發(fā)明是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的
1.原料及配比所采用的鋯源為硝酸鋯[Zr(NO3)4]或氧氯化鋯(ZrOCl2)；碳源為葡萄糖；添加劑為尿素、硝酸或硝酸銨。鋯源和碳源按照摩爾比& :C = 1 (5 15)的配比；+5 價(jià)的氮元素與_ 3價(jià)的氮元素按照摩爾比N+5 :N_3 = 1 (0. 1 10)的配比。2.前驅(qū)物的制備首先將硝酸鋯或氧氯化鋯、葡萄糖，及尿素與硝酸或硝酸銨中的一種或二種混合物溶于去離子水中，得到均勻混合溶液，再將混合溶液在150 600°C溫度下加熱，混合溶液發(fā)生反應(yīng)后得到前驅(qū)物。3.前驅(qū)物的預(yù)處理將所得的前驅(qū)物粉碎后，在500 800°C的空氣氣氛下預(yù)處理0 5 h，得到合適的鋯碳比。4.前驅(qū)物的碳熱還原反應(yīng)。將步驟3得到的前驅(qū)物在1300 1600°C的流動(dòng)氬氣氣氛中碳熱還原廣20h，氬氣流量為1 101/min。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理，得到碳化鋯粉末。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1.前驅(qū)物中鋯源和碳源粒度細(xì)小、混合均勻，反應(yīng)活性好，能大大降低碳熱還原反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速率，制備出分散性能良好的納米級(jí)碳化鋯陶瓷粉末。2.原材料來源廣泛，價(jià)格低廉，生產(chǎn)成本低；制備的碳化鋯納米粉性能穩(wěn)定，生產(chǎn)工藝簡單，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
稱取葡萄糖0. Imol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于300°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在500°C的空氣中處理 5h。將所得物質(zhì)在1400°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)8h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例2:
稱取葡萄糖0. 2mol，氧氯化鋯0. Imol，尿素0. lmol，硝酸0. 2mol，硝酸銨0. 02mol。將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在600°C 的空氣中處理2h。將所得物質(zhì)在1500°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)5h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例3:
稱取葡萄糖0. 3mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. 05molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于300°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在700°C的空氣中處理 0.5h。將所得物質(zhì)在1500°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)8h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例4:
稱取葡萄糖0. Imol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于500°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在700°C的空氣中處理 0.5h。將所得物質(zhì)在1400°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)12h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例5:
稱取葡萄糖0. 15mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸銨0. 05molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于200°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在600°C的空氣中處理 lh。將所得物質(zhì)在1600°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)2h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例6:
稱取葡萄糖0. Imol，氧氯化鋯0. lmol，尿素0. 2mol，硝酸0. 6mol，硝酸銨0. 02mol。將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在600°C 的空氣中處理0. 5h。將所得物質(zhì)在1400°C、氬氣流量為21/min的條件下反應(yīng)10h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例7:
稱取葡萄糖0. 2mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. Imol0將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在500°C的空氣中處理 4h。將所得物質(zhì)在1300°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)10h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例8
稱取葡萄糖0. Imol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于600°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在600°C的空氣中處理 0.2h。將所得物質(zhì)在1600°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)5h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例9:
稱取葡萄糖0. 2mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 5mol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在500°C的空氣中處理 4h。將所得物質(zhì)在1500°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)10h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例10
稱取葡萄糖0. 2mol，氧氯化鋯0. Imol，尿素0. 4mol，硝酸0. 5mol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于500°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在500°C 的空氣中處理3h。將所得物質(zhì)在1600°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)6h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例11
稱取葡萄糖0. 3mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. Olmol。將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于200°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在600°C的空氣中處理 lh。將所得物質(zhì)在1400°C、氬氣流量為61/min的條件下反應(yīng)15h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例12
稱取葡萄糖0. 2mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 3mol，硝酸銨0. 06molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于600°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在600°C的空氣中處理 0.5h。將所得物質(zhì)在1500°C、氬氣流量為11/min的條件下反應(yīng)12h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例13
稱取葡萄糖0. Imol，氧氯化鋯0. lmol，尿素0. 2mol，硝酸0. 5mol，硝酸銨0. 03mol。將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于150°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在700°C 的空氣中處理lh。將所得物質(zhì)在1500°C、氬氣流量為21/min的條件下反應(yīng)8h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。實(shí)施例14
稱取葡萄糖0. Imol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在800°C的空氣中處理 0.5h。將所得物質(zhì)在1300°C、氬氣流量為31/min的條件下反應(yīng)20h，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到碳化鋯粉末。
權(quán)利要求
1. 一種制備碳化鋯陶瓷粉末的方法，其特征在于通過改善原料混合方法，使粒度更小的亞微粒子直接接觸反應(yīng)，提高前驅(qū)物的反應(yīng)活性，有利于使前驅(qū)物在較低溫度條件下合成高純度、細(xì)粒度的陶瓷粉末；具體工藝為a.原料及配比所采用的鋯源為硝酸鋯或氧氯化鋯；碳源為葡萄糖；添加劑為尿素、 硝酸銨或硝酸；鋯源和碳源按照摩爾比為& :C = 1 (5 18)的配比；+5價(jià)的氮元素與_ 3 價(jià)的氮元素按照摩爾比為礦5 =N-3 = 1 :(0. 1 10)的配比；b.前驅(qū)物的制備首先將硝酸鋯或氧氯化鋯、葡萄糖，及尿素與硝酸或硝酸銨中的一種或二種混合物溶于去離子水中，得到均勻混合溶液，再將混合溶液在150 600°C溫度下加熱，混合溶液發(fā)生反應(yīng)后得到前驅(qū)物；c.將前驅(qū)物粉碎后在500 800°C的空氣中處理0 5h，得到合適的鋯碳比；d.前驅(qū)物的碳熱還原反應(yīng)將步驟c得到的前驅(qū)物在1300 1600°C的流動(dòng)氬氣氣氛中碳熱還原1 20h，氬氣的流量為1 101/min ；碳熱還原反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理，得到納米級(jí)碳化鋯陶瓷粉末。
全文摘要
一種制備碳化鋯陶瓷粉末的方法，屬于陶瓷粉末制備領(lǐng)域。通過改善原料混合方法，使粒度更小的亞微粒子直接接觸反應(yīng)，提高前驅(qū)物的反應(yīng)活性，有利于使前驅(qū)物在較低溫度條件下合成高純度、細(xì)粒度的陶瓷粉末；鋯源為硝酸鋯或氧氯化鋯；碳源為葡萄糖；添加劑為尿素、硝酸銨、硝酸。鋯源和碳源的摩爾比為ZrC＝1(5～18)的配比；+5價(jià)的氮元素與–3價(jià)的氮元素摩爾比為N+5N-3＝1(0.1～10)。本發(fā)明前驅(qū)物中鋯源和碳源粒度細(xì)小、混合均勻，反應(yīng)活性好，能降低碳熱還原反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速率，制備出分散性能良好的納米級(jí)碳化鋯陶瓷粉末；此外，原材料來源廣泛，價(jià)格低廉，生產(chǎn)成本低，制備的碳化鋯納米粉性能穩(wěn)定，生產(chǎn)工藝簡單，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/626GK102515164SQ201110389769
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者儲(chǔ)愛民, 曲選輝, 秦明禮, 賈寶瑞, 魯慧峰 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)