專利名稱：一種提純碳化鋯粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種難熔化合物粉體的提純方法，具體涉及一種提純碳化鋯粉末的方法。
背景技術(shù)：
碳化鋯是碳化物材料中比較常見的一種物質(zhì)，也是近幾年來非氧化物陶瓷材料的研究熱點(diǎn)，可以用作高級(jí)耐火材料的添加劑，也是生產(chǎn)原子能級(jí)海綿鋯的原料。由于其高溫強(qiáng)度和硬度高、熱中子吸收截面小、耐輻射性能好，被選作包覆核燃料顆粒阻擋層的新材料。而且，納米碳化鋯具有高效吸收可見光，反射紅外線的特性，當(dāng)它吸收占太陽光中95%的2 m以下的短波長(zhǎng)能源后，通過熱轉(zhuǎn)換，可將能源儲(chǔ)存在材料中，它還具有反射超過2ym紅外線波長(zhǎng)的特性。而人體產(chǎn)生的紅外線波長(zhǎng)約10iim左右，不會(huì)向外散發(fā)。這說明碳化鋯具有理想的吸熱、蓄熱的特性。碳化鋯陶瓷屬于超硬材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐磨性能，是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，超硬工具材料和表面保護(hù)材料，同時(shí)它還具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，在切削刀具材料、裝甲材料、堆焊耐磨焊條等方向具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 碳化鋯是過渡族元素Zr和C形成的一種非化學(xué)計(jì)量的碳化物，在碳_鋯系統(tǒng)中存在很寬范圍的非化學(xué)計(jì)量現(xiàn)象，即Zr(;(O. 5《x《1)，這是由于NaCl型晶體結(jié)構(gòu)是一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，在ZrC晶體中，雖然Zr原子和C原子都處于面心立方的晶格上，但是空位只存在于C原子所在的位置，因此在這種非化學(xué)計(jì)量比的碳化物中還有游離碳的存在。研究表明完全計(jì)量比的ZrC是不存在的，且ZrC極易氧化，其氧化溫度為30(TC左右。0原子可取代C原子的位置從而形成Zr((;Oy)化合物。 碳化鋯陶瓷粉末的傳統(tǒng)合成工藝為碳熱還原法、溶膠_凝膠法、低溫合成法、燃燒合成法等。市售的碳化鋯粉體大多是由碳熱還原法合成的。由這些工藝合成的碳化鋯粉末雖然粒徑可達(dá)到幾十到幾百納米，但由于工藝及原料等因素的影響，且碳化鋯極易氧化，因此普遍存在純度不高的問題。
參考文獻(xiàn) [l]Yan， Y. J. Huang， Z. G. Liu， X. J. Jiang， D. L Journal of Sol-Gel ScienceandTechnology,2007， 44， 81-85. [2]S皿 shouren. hand book of Material for Nuclear reactor[M]. Beijing :AtomicEnergy Press, 1987 :26. [3]0gawa T et a1. Journal of Rare metal Material and Engineering,2000，29(2) :101. [4]M. D. Sack et al. ，Journal of Materials and Science.2004，39，6057.
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3
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提純碳化鋯粉末的方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、成本低，得 到的碳化鋯粉末純度高。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種提純碳化鋯粉末的方法，采 用還原熱處理，其特征在于它包括如下步驟 1)按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉85 99X、Mg粉l 15X，選取ZrC粉
和Mg粉，備用; 2)將ZrC粉和Mg粉均勻混合，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于熱處 理爐內(nèi)，并充氬氣作為保護(hù)氣氛(氬氣的氣壓是O. 02Mpa)，采用下述二種之一進(jìn)行熱處理
①所述熱處理爐為管式爐，在管式爐中的熱處理溫度和時(shí)間為溫度為1300 150(TC，保溫時(shí)間為lh，得到熱處理產(chǎn)物； ②所述熱處理爐為放電等離子燒結(jié)爐(SPS)，在放電等離子燒結(jié)爐中的熱處理溫 度和時(shí)間為溫度為1300 170(TC，保溫時(shí)間為5 15min，得到熱處理產(chǎn)物；
3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0. 5mm的粉末，將粉末置于濃度為 0. 5 2. Omol/L的鹽酸中于20 8(TC酸洗1 12小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純 度(質(zhì)量含量^ 98. 0% )的碳化鋯粉末。 步驟1)所述的ZrC粉為市售的ZrC粉或?qū)嶒?yàn)室合成的ZrC粉，ZrC粉的粒徑為 80nm 5iim， ZrC粉中氧的質(zhì)量含量為3% 5%， ZrC粉中其他雜質(zhì)質(zhì)量含量《4% (主 要為Fe、Cl、Mg等元素)。 步驟1)所述的Mg粉的粒徑為74 ii m。 步驟1)所述的各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉95X，Mg粉5%，其中ZrC粉的 粒徑為1 y m。 步驟1)所述的各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉90%， Mg粉10%，其中ZrC粉 的粒徑為80nm。 步驟1)所述的各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉95X，Mg粉5%，其中ZrC粉的 粒徑為200nm 300nm。 步驟2)所述的將ZrC粉和Mg粉均勻混合為將ZrC粉和Mg粉在真空條件下干燥 10 20小時(shí)，再將ZrC粉和Mg粉機(jī)械球磨混合1 3h，球料比為3:1。
本發(fā)明具有以下有益效果 1、碳化鋯的特殊性能使其得到廣泛生產(chǎn)與應(yīng)用，但純度不高又限制了其應(yīng)用，本 發(fā)明采用后續(xù)熱處理對(duì)市售碳化鋯或?qū)嶒?yàn)室合成碳化鋯進(jìn)行提純處理，工藝簡(jiǎn)單，成本較 低，但產(chǎn)物純度有很大提高，為其廣泛應(yīng)用提供了保障。 2、本發(fā)明采用普通管式爐作為熱處理爐，具有一定的普遍性，適用于實(shí)驗(yàn)室及工 業(yè)生產(chǎn)。工藝簡(jiǎn)單，成本低，經(jīng)提純的產(chǎn)物純度較高。 3、本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)爐作為熱處理爐，主要利用外加脈沖強(qiáng)電流形成的 電場(chǎng)清潔粉末顆粒表面氧化物和吸附的氣體，凈化材料，活化粉末表面，有利于碳化鋯粉體 中氧等雜質(zhì)的去除，從而提高純度。


圖1是實(shí)施例2所得碳化鋯粉末的SEM圖。
圖2是實(shí)施例2所得碳化鋯粉末的XRD圖。
圖3是實(shí)施例3所得碳化鋯粉末的SEM圖。
圖4是實(shí)施例5所得碳化鋯粉末的SEM圖。
具體實(shí)施例方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)
容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。 實(shí)施例1 : —種提純碳化鋯粉末的方法，采用還原熱處理，它包括如下步驟
1)原料粉末粒徑分別為ZrC粉liim，Mg粉74iim;ZrC粉為市售的ZrC粉，經(jīng)氮氧 分析知ZrC粉末中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8X，其他主要雜質(zhì)含量為2.06% (Fe為0.97X， CI 為1. 09% );按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉95% ，Mg粉5% ，選取ZrC粉和Mg粉，備 用； 2)將ZrC粉和Mg粉在真空條件下干燥10小時(shí)，再將ZrC粉和Mg粉機(jī)械球磨混合 2h，球料比為3 : l，得到混合粉末； 將混合粉末裝入模具中，置于管式爐中，充氬氣作為保護(hù)氣氛，氣壓是0.02Mpa; 處理溫度為130(TC，保溫時(shí)間為lh，得到熱處理產(chǎn)物； 3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0. 5mm的粉末，將粉末置于濃度為 2. 0mol/L的鹽酸中于6(TC酸洗12小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純度的碳化鋯粉末。
測(cè)定所得到高純度的碳化鋯粉末的組成表明得到高純度的碳化鋯粉末中ZrC含 量為98.0%，粒徑為liim，無明顯長(zhǎng)大。所得到高純度的碳化鋯粉末中雜質(zhì)質(zhì)量含量見表1。
實(shí)施例2 : —種提純碳化鋯粉末的方法，采用還原熱處理，它包括如下步驟 1)原料粉末粒徑分別為ZrC粉80nm， Mg粉74 y m ;ZrC粉為市售的ZrC粉，經(jīng)氮
氧分析知ZrC粉中氧的質(zhì)量含量為5X，其他主要雜質(zhì)含量為2.37X (Fe為0.24X， Cl為
2. 13% );按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉90X、Mg粉10X，選取ZrC粉和Mg粉，備 用； 2)將ZrC粉和Mg粉在真空條件下干燥10小時(shí)，再將ZrC粉和Mg粉機(jī)械球磨混 合3h，球料比為3 : l，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于管式爐中，充氬氣作為 保護(hù)氣氛，氣壓是O. 02Mpa，處理溫度為150(TC，保溫時(shí)間為lh，得到熱處理產(chǎn)物；
3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0. 5mm的粉末，將粉末置于濃度為 2. 0mol/L的鹽酸中于6(TC酸洗12小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純度的碳化鋯粉末。
測(cè)定所得到高純度的碳化鋯粉末的組成表明得到的高純度的碳化鋯粉末中ZrC 含量為98.7%，粒徑為100nm。見圖1、圖2。從圖1粉末的SEM照片中可以看出，制得的碳 化鋯粉末的粒徑在100nm左右，從圖2粉末的XRD圖中看到，所得的粉末的衍射峰對(duì)應(yīng)為碳化鋯的衍射峰，說明得到的碳化鋯粉末純度高、粒徑細(xì)小。所得到高純度的碳化鋯粉末中雜
質(zhì)質(zhì)量含量見表l。
實(shí)施例3 : —種提純碳化鋯粉末的方法，采用還原熱處理，它包括如下步驟
1)原料粉末粒徑分別為ZrC粉200 300nm， Mg粉74 y m ;ZrC粉為實(shí)驗(yàn)室合成 的ZrC粉，ZrC粉中氧的質(zhì)量含量為3.02X，其他主要雜質(zhì)質(zhì)量含量為0.48X (主要為Mg 元素)；按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉95X、Mg粉5X，選取ZrC粉和Mg粉，備用；
2)將ZrC粉和Mg粉機(jī)械球磨混合lh，球料比為3 : 1，然后在真空條件下干燥10 小時(shí)，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于管式爐中，充氬氣作為保護(hù)氣氛，氣壓是
0. 02Mpa，處理溫度為150(TC，保溫時(shí)間為lh，得到熱處理產(chǎn)物； 3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0. 5mm的粉末，將粉末置于濃度為 2. 0mol/L的鹽酸中于6(TC酸洗12小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純度的碳化鋯粉末。
測(cè)定所得到高純度的碳化鋯粉末的組成表明得到高純度的碳化鋯粉末中ZrC含 量為99. 0%，粒徑為400nm。見圖3，從圖中粉末的SEM照片中可以看出，制得的碳化鋯粉末 的粒徑在400nm左右。所得到高純度的碳化鋯粉末中雜質(zhì)質(zhì)量含量見表1。
實(shí)施例4 : —種提純碳化鋯粉末的方法，采用還原熱處理，它包括如下步驟 1)原料粉末粒徑分別為ZrC粉200 300nm， Mg粉74 y m ;ZrC粉為實(shí)驗(yàn)室合成
的ZrC粉，ZrC粉中氧的質(zhì)量含量為3.02X，其他主要雜質(zhì)質(zhì)量含量為0.48X (主要為Mg
元素)；按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉95X、Mg粉5X，選取ZrC粉和Mg粉，備用； 2)將ZrC粉和Mg粉在真空條件下干燥20小時(shí)，再將ZrC粉和Mg粉機(jī)械球磨混
合3h，球料比為3 : l，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于放電等離子燒結(jié)爐中，
充氬氣作為保護(hù)氣氛，處理溫度為150(TC，保溫時(shí)間為15min，得到熱處理產(chǎn)物； 3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0. 5mm的粉末，將粉末置于濃度為
1. Omol/L的鹽酸中于8(TC酸洗10小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純度的碳化鋯粉末。
測(cè)定所到高純度的碳化鋯粉末的組成表明產(chǎn)物中ZrC含量為99.2X，粒徑為 400nm左右。所得到高純度的碳化鋯粉末中雜質(zhì)質(zhì)量含量見表1。 實(shí)施例5 : —種提純碳化鋯粉末的方法，采用還原熱處理，它包括如下步驟
1)原料粉末粒徑分別為ZrC粉200 300nm， Mg粉74 y m ;ZrC粉為實(shí)驗(yàn)室合成 的ZrC粉，ZrC粉中氧的質(zhì)量含量為3. 02% ，其他主要雜質(zhì)質(zhì)量含量為0. 48% (主要為Mg 元素)；按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉95X、Mg粉5X，選取ZrC粉和Mg粉，備用；
2)將ZrC粉和Mg粉在真空條件下干燥10小時(shí)，再將ZrC粉和Mg粉機(jī)械球磨混 合2h，球料比為3 : l，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于放電等離子燒結(jié)爐中， 充氬氣作為保護(hù)氣氛，氬氣的氣壓是O. 02Mpa，處理溫度為170(TC，保溫時(shí)間為15min，得到 熱處理產(chǎn)物； 3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0. 5mm的粉末，將粉末置于濃度為 0. 5mol/L的鹽酸中于2(TC酸洗8小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純度的碳化鋯粉末。
測(cè)定所得到高純度的碳化鋯粉末的組成表明得到高純度的碳化鋯粉末中ZrC含
6量為99. 6% ，粒徑為800nm。見圖4，從圖中粉末的SEM照片中可以看出，制得的碳化鋯粉末 的粒徑在800nm左右。所得到高純度的碳化鋯粉末中雜質(zhì)質(zhì)量含量見表1。
實(shí)施例6 : —種提純碳化鋯粉末的方法，采用還原熱處理，它包括如下步驟
1)按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉85X、Mg粉15% ，選取ZrC粉和Mg粉，備 用；所述的ZrC粉為市售的ZrC粉，ZrC粉的粒徑為80nm，經(jīng)氮氧分析知ZrC粉中氧的質(zhì)量 含量為5%，其他主要雜質(zhì)含量為2.37% (Fe為O. 24%，C1為2. 13% );所述的Mg粉的粒 徑為74 ii m。 2)將ZrC粉和Mg粉在真空條件下干燥10小時(shí)，再將ZrC粉和Mg粉機(jī)械球磨混合 lh，球料比為3 : l，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于放電等離子燒結(jié)爐(SPS) 內(nèi)，并充氬氣作為保護(hù)氣氛(氬氣的氣壓是0. 02Mpa)，在放電等離子燒結(jié)爐中的熱處理溫 度和時(shí)間為溫度為130(TC，保溫時(shí)間為5min，得到熱處理產(chǎn)物； 3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0. 5mm的粉末，將粉末置于濃度為 0. 5mol/L的鹽酸中于2(TC酸洗1小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到碳化鋯粉末(純度為 98. 45% )。 所得到高純度的碳化鋯粉末中雜質(zhì)質(zhì)量含量見表1。
實(shí)施例7 : —種提純碳化鋯粉末的方法，采用還原熱處理，它包括如下步驟 1)按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉99^、Mg粉l^，選取ZrC粉和Mg粉，備
用；所述的ZrC粉為市售的ZrC粉，ZrC粉的粒徑為5 y m， ZrC粉中氧的質(zhì)量含量為3% ， ZrC
粉中其他雜質(zhì)質(zhì)量含量為1 % (主要為Fe元素)；所述的Mg粉的粒徑為74 ii m。 2)將ZrC粉和Mg粉在真空條件下干燥20小時(shí)，再將ZrC粉和Mg粉機(jī)械球磨混合
3h，球料比為3 : l，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于放電等離子燒結(jié)爐(SPS)
內(nèi)，并充氬氣作為保護(hù)氣氛(氬氣的氣壓是0. 02Mpa)，在放電等離子燒結(jié)爐中的熱處理溫
度和時(shí)間為溫度為170(TC，保溫時(shí)間為15min，得到熱處理產(chǎn)物； 3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0. 5mm的粉末，將粉末置于濃度 為2. Omol/L的鹽酸中于8(TC酸洗10小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純度(純度為 98.8%)的碳化鋯粉末。 所得到高純度的碳化鋯粉末中雜質(zhì)質(zhì)量含量見表1。 表1雜質(zhì)質(zhì)量含量
實(shí)施例1234567
氧的質(zhì)量含量(％)1. 751. 020. 850. 680. 301. 200. 90
其他雜質(zhì)的質(zhì)量含量(％)0. 250. 280. 150. 120. 100. 350. 30
權(quán)利要求
一種提純碳化鋯粉末的方法，其特征在于它包括如下步驟1)按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉85～99％、Mg粉1～15％，選取ZrC粉和Mg粉，備用；2)將ZrC粉和Mg粉均勻混合，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于熱處理爐內(nèi)，并充氬氣作為保護(hù)氣氛，采用下述二種之一進(jìn)行熱處理①所述熱處理爐為管式爐，在管式爐中的熱處理溫度和時(shí)間為溫度為1300～1500℃，保溫時(shí)間為1h，得到熱處理產(chǎn)物；②所述熱處理爐為放電等離子燒結(jié)爐，在放電等離子燒結(jié)爐中的熱處理溫度和時(shí)間為溫度為1300～1700℃，保溫時(shí)間為5～15min，得到熱處理產(chǎn)物；3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0.5mm的粉末，將粉末置于濃度為0.5～2.0mol/L的鹽酸中于20～80℃酸洗1～12小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純度的碳化鋯粉末。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提純碳化鋯粉末的方法，其特征在于步驟1)所述的 ZrC粉為市售的ZrC粉或?qū)嶒?yàn)室合成的ZrC粉，ZrC粉的粒徑為80nm 5 y m， ZrC粉中氧的 質(zhì)量含量為3X 5X，ZrC粉中其他雜質(zhì)質(zhì)量含量《4%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提純碳化鋯粉末的方法，其特征在于步驟1)所述的Mg 粉的粒徑為74iim。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提純碳化鋯粉末的方法，其特征在于步驟1)所述的各 原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉95X，Mg粉5X，其中ZrC粉的粒徑為liim。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提純碳化鋯粉末的方法，其特征在于步驟1)所述的各 原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉90X，Mg粉10%，其中ZrC粉的粒徑為80nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提純碳化鋯粉末的方法，其特征在于步驟1)所述的各 原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉95%， Mg粉5%，其中ZrC粉的粒徑為200nm 300nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提純碳化鋯粉末的方法，其特征在于步驟2)所述的將 ZrC粉和Mg粉均勻混合為將ZrC粉和Mg粉在真空條件下干燥10 20小時(shí)，再將ZrC粉 和Mg粉機(jī)械球磨混合1 3h，球料比為3 : 1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種難熔化合物粉體的提純方法。一種提純碳化鋯粉末的方法，其特征在于它包括如下步驟1)按各原料所占重量百分?jǐn)?shù)為ZrC粉85～99％、Mg粉1～15％，選取ZrC粉和Mg粉，備用；2)將ZrC粉和Mg粉均勻混合，得到混合粉末；將混合粉末放入模具中，置于熱處理爐內(nèi)，并充氬氣作為保護(hù)氣氛，進(jìn)行熱處理；3)將熱處理產(chǎn)物經(jīng)研磨后，過篩得到粒徑小于0.5mm的粉末，將粉末置于濃度為0.5～2.0mol/L的鹽酸中于20～80℃酸洗1～12小時(shí)，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，得到高純度的碳化鋯粉末。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、成本低，經(jīng)提純后，得到的碳化鋯粉末純度高。
文檔編號(hào)C01B31/30GK101774580SQ20101010111
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者傅正義, 張帆, 李靜, 王為民, 王皓 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)