CN109574014A - 一种b4c纤维毡及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种B4C纤维毡及其制备方法，其特征在于，包括原料和熔盐助剂，所述的原料包括活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉，所述的熔盐助剂包括MgCl2、NaCl、Na2B4O7或K2CO3，所述的B4C纤维毡是以活性炭纤维毡为模板，采用熔盐辅助烧结法制得。本发明制备的B4C纤维毡在保持活性炭纤维毡多孔、长径比大、有丰富的三维形貌的同时，具有很好的抗氧化和很高的力学强度，该方法制备工艺简单，反应过程可控，且得到的产率高，可用于制备陶瓷材料、抗氧化剂材料或高温环境的吸附/吸波材料。

Description

一种B4C纤维毡及其制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料技术领域，特别涉及一种B4C纤维毡及其制备方法。
背景技术
碳化硼(B4C)不仅作为硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的材料，同时有其他许多优良理化性能，包括低密度、高熔点、高杨氏模量、良好的热点特性、高中子吸收截面、高热导率、低热膨胀系数、高赛贝克系数、化学稳定性、耐酸碱、氧气吸收能力等。碳化硼被应用在国防工业的坦克装甲和直升机等防护装置，核电工业的控制棒和屏蔽***，耐磨领域的喷嘴和硬质材料刀具，热电***的催化载体和差热电偶，医疗领域用硼中子捕获(BNCT)治疗癌症。目前，制备碳化硼的方法主要有碳热还原法和自蔓延高温合成法。随着国防工业的发展，应用领域的不断扩展，使得碳化硼的应用环境也越来越苛刻，不论是作为装甲材料的防弹背板，还是作为使用于高温、超高温环境材料的抗氧化剂，都需要纤维状的材料才能增强陶瓷材料的韧性，在保持碳化硼材料本身优异性能的同时，对材料本身的韧性的提高有所要求，因此纤维状的碳化硼急需研究。而传统的生产碳化硼纤维的方法为化学气相沉积法(CVD)，不仅生产过程复杂周期长，而且反应设备成本过高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种B4C纤维毡及其制备方法。以活性炭纤维毡为碳源和模板，来合成B4C纤维毡，该方法制备工艺简单，反应过程可控，且得到的产率高。
为了实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：
一种B4C纤维毡，包括以活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉为原料，采用熔盐辅助烧结法制备得到，所述熔盐辅助烧结法中所用的熔盐助剂包括MgCl2、NaCl、Na2B4O7或K2CO3。
进一步地，所述的原料和熔盐助剂的质量比为1:1～1:4。
进一步地，按质量百分比计，所述的原料中活性炭纤维毡质量分数为3％～11％，三氧化二硼质量分数为42％～50％，镁粉质量分数为47％～55％，活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉质量百分比之和为100％。
进一步地，按质量百分比计，所述的原料中活性炭纤维毡质量分数为4.1％，原料中三氧化二硼质量分数为47.3％，原料中镁粉质量分数为48.6％。
一种B4C纤维毡的制备方法，以活性炭纤维毡为模板，采用熔盐辅助烧结法制得，所述的熔盐助剂包括MgCl2、NaCl、Na2B4O7或K2CO3。
进一步地，以活性炭纤维毡为模板，在模板两侧加入混合均匀的三氧化二硼和镁粉，并加入所述的熔盐助剂烧结。
具体地，按质量百分比计，所述的活性炭纤维毡质量分数为3％～11％，三氧化二硼质量分数为42％～50％，镁粉质量分数为47％～55％，活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉质量百分比之和为100％，所述的活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉三者之和与熔盐助剂的质量比为1:1～1:4。
进一步地，按质量百分比计，所述的活性炭纤维毡为4.1％，三氧化二硼为47.3％，镁粉为48.6％。
可选地，具体为：
(1)将三氧化二硼与镁粉混合；再将熔盐助剂加入三氧化二硼和镁粉的混合料中混合；
(2)将步骤1得到的混合料加入在坩埚内，然后将活性炭纤维毡平铺在混合料上，最后将剩余的混合料平铺在最上层；
(3)将步骤2装好混合料的坩埚放入管式炉中进行烧结，即得B4C纤维毡。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明提供了一种B4C纤维毡及其制备方法。具体以活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉为原料，熔盐为助剂，活性炭纤维毡为纤维毡模板，采用熔盐辅助烧结法进行B4C纤维毡的制备，制备工艺过程简单，反应过程容易控制；且得到产物纯度高。
(2)本发明通过熔盐辅助烧结法制得的B4C纤维毡，以活性炭纤维毡为碳源，不仅产物纯度高反应过程完全，而且原料价格低廉易得。
(3)本发明制备的B4C纤维毡，保持了活性炭纤维毡模板的形貌，并且可以通过控制工艺参数得到不同反应程度和纯度的B4C纤维毡。
(4)本发明制备出的B4C纤维毡，不仅用于陶瓷材料或作为抗氧化剂材料使用，也可以利用活性炭纤维模板形貌，用于高温环境的吸附材料和高温吸波材料。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图；
图2是本发明的装料顺序图；
图3为本发明实施例1制备的B4C纤维毡的XRD图；
图4为本发明实施例1制备的B4C纤维毡的SEM图，图中(a)(b)(c)(d)依次为不同放大倍数下的照片；
以下结合附图1-4和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
活性炭纤维毡是采用天然或人造纤维经高温、催化等特殊工艺制作而成的超越于颗粒活性炭的高效吸附材料，含有高度发达的微孔结构，孔径小而均匀，结构简单，对于吸附小分子物质吸附速率快，吸附速度高，容易解吸附。与被吸附物的接触面积大，且可以均匀接触与吸附，使吸附材料得以充分利用。效率高，且具有纤维、毡、布和纸等各种纤细的表态，孔隙直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短，且本身的外表面积较内表面积高出两个数量级。具有比表面积大、吸脱附容量高、吸脱附速度快、净化效果好等特点。
本发明以活性炭纤维为碳源，氧化硼为硼源，镁为还原金属，根据以下化学方程式进行反应：2B2O3+6Mg+C→B4C+6MgO。反应过程中，首先镁还原氧化硼生成硼单质和氧化镁，然后单质硼和碳反应生成碳化硼，最后通过酸洗方法除去氧化镁，具体制备工艺流程图如图1所示。本发明制备的B4C纤维毡，保持了活性炭纤维毡模板的形貌，制备工艺过程简单，反应过程容易控制。
以下是发明人以举例的方式对本发明进行了说明，但本发明不限于以下的实施例，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。在本发明给出的Mg、活性炭纤维毡、B2O3为原料按质量百分比进行配料，并以熔盐作为助剂，通过烧结的方法均能制备B4C纤维毡，如附图1。使用日本D/Max 2400型X射线衍射(XRD)分析仪(Cu靶，Ni片)进行物相分析,用日本SU 6600型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察产物粉体的微观形貌。
按质量百分比计，原料中活性炭纤维毡为3％～11％，原料中三氧化二硼为42％～50％，原料中镁粉为47％～55％，活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉质量百分比之和为100％。
实施例1：
本实施例采用活性炭纤维毡(碳含量≥90.0％，江苏苏通碳纤维有限公司)、镁粉(纯度≥99.9％，长沙天久金属材料有限公司)和三氧化二硼(纯度≥98.8％，西安市优立电子化工有限责任公司)为原料，无水MgCl2(天津市福晨化学试剂厂)为熔盐，按质量百分比计，原料中活性炭纤维毡为4.1％，原料中三氧化二硼为47.3％，原料中镁粉为48.6％，原料与MgCl2的质量比为1:4。
(1)如附图2，按上述质量百分比计，将称好的三氧化二硼和镁粉在研钵中进行研磨混合；将MgCl2加入三氧化二硼和镁粉的混合料中进行混合；称取一半质量的混合均匀的三氧化二硼、镁粉和MgCl2的混合物放置在坩埚内，然后将活性炭纤维毡平铺在混合料上，接着将剩余另一半的三氧化二硼、镁粉和MgCl2的混合料平铺在最上层。
(2)将装好料的坩埚放入管式炉中，抽真空通氩气，程序控温进行加热并在1000℃保温2h后降温，待炉温降至室温后关闭电源，打开炉盖，将物料取出。
(3)将步骤(2)得到的物料放在过量的浓度为10％wt的盐酸中酸洗以除去产物中的MgO以及剩余的Mg，最后超声振荡水洗，除去熔盐等杂质，90℃干燥24h，即得B4C纤维毡。酸洗反应依据的化学方程式为MgO+2H+→Mg2++H2O。
对产物进行XRD及SEM分析。其中，附图3的XRD图可看出产物中很有碳化硼和未完全反应的碳，说明通过该方法得到了碳化硼且活性炭纤维没有完全反应。图4的SEM图为倍数依次放大的显微形貌，可看出反应后的产物为活性炭纤维表面生成了一层碳化硼，保持了活性炭纤维原有的纤维状形貌。
实施例2：
同实施例1，但与实施例1不同的是以Na2B4O7为熔盐，按质量百分比计，原料中活性炭纤维毡为3％，原料中三氧化二硼为42％，原料中镁粉为55％，原料与Na2B4O7的质量比为1:3。
实施例3：
同实施例1，但与实施例1不同的是以NaCl为熔盐，按质量百分比计，原料中活性炭纤维毡为3％，原料中三氧化二硼为50％，原料中镁粉为47％，原料与NaCl的质量比为1:4。
实施例4：
同实施例1，但与实施例1不同的是以K2CO3为熔盐，按质量百分比计，原料中活性炭纤维毡为11％，原料中三氧化二硼为42％，原料中镁粉为47％，原料与K2CO3的质量比为1:1。

Claims (9)

1.一种B4C纤维毡，其特征在于，包括以活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉为原料，采用熔盐辅助烧结法制备得到，所述熔盐辅助烧结法中所用的熔盐助剂包括MgCl2、NaCl、Na2B4O7或K2CO3。
2.如权利要求1所述的B4C纤维毡，其特征在于，所述的原料和熔盐助剂的质量比为1:1～1:4。
3.如权利要求1所述的B4C纤维毡，其特征在于，按质量百分比计，所述的原料中活性炭纤维毡质量分数为3％～11％，三氧化二硼质量分数为42％～50％，镁粉质量分数为47％～55％，活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉质量百分比之和为100％。
4.如权利要求1或3所述的B4C纤维毡，其特征在于，按质量百分比计，所述的原料中活性炭纤维毡质量分数为4.1％，原料中三氧化二硼质量分数为47.3％，原料中镁粉质量分数为48.6％。
5.一种B4C纤维毡的制备方法，其特征在于，以活性炭纤维毡为模板，采用熔盐辅助烧结法制得，所述的熔盐助剂包括MgCl2、NaCl、Na2B4O7或K2CO3。
6.如权利要求5所述的B4C纤维毡的制备方法，其特征在于，以活性炭纤维毡为模板，在模板两侧加入混合均匀的三氧化二硼和镁粉，并加入所述的熔盐助剂烧结。
7.如权利要求6所述的B4C纤维毡的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述的活性炭纤维毡质量分数为3％～11％，三氧化二硼质量分数为42％～50％，镁粉质量分数为47％～55％，活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉质量百分比之和为100％，所述的活性炭纤维毡、三氧化二硼和镁粉三者之和与熔盐助剂的质量比为1:1～1:4。
8.如权利要求7所述的B4C纤维毡的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述的活性炭纤维毡为4.1％，三氧化二硼为47.3％，镁粉为48.6％。
9.如权利要求6、7或8所述的B4C纤维毡的制备方法，其特征在于，具体为：
(1)将三氧化二硼与镁粉混合；再将熔盐助剂加入三氧化二硼和镁粉的混合料中混合；
(2)将步骤1得到的混合料加入在坩埚内，然后将活性炭纤维毡平铺在混合料上，最后将剩余的混合料平铺在最上层；
(3)将步骤2装好混合料的坩埚放入管式炉中进行烧结，即得B4C纤维毡。
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