CN113149014A - 采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,分别将六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶解在溶剂甲醇中;溶液分别加热,持续磁力搅拌;将六水合硝酸锌的溶液倒入二甲基咪唑溶液中,混合后静置;通过离心分离得到ZIF‑8白色沉淀,白色沉淀用甲醇清洗,清洗后的ZIF‑8粉体干燥处理、研磨;在氩气氛下进行热解得到纳米多孔碳;取硼酸H3BO3和纳米多孔碳,溶于去离子水中,超声分散,之后再旋转蒸发、烘箱烘干、研磨、过100目筛;煅烧得到碳化硼。本发明能通过优化ZIF‑8粉体的热解工艺,如热解温度和保温时间,得到不含Zn元素杂质且能够保留均匀粒径和有序纳米孔结构的NPC。
Description
技术领域
本发明属于碳化硼技术领域,具体为采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法。
背景技术
碳化硼(B4C)陶瓷是除金刚石和立方氮化硼之外硬度最高(~29.1GPa)的材料,并且具有低密度(2.52g/cm3)、高弹性模量、良好的中子吸收性以及优异的化学稳定性和热稳定性等优点,在轻质防弹装甲、喷气飞机叶片材料、耐火材料、耐磨材料和防辐射材料等领域得到了广泛应用。
虽然B4C陶瓷在很多工程领域具有无可比拟的性能优势,但是,其在我国的应用却始终未能取得实质性的突破。这主要归因于两点:
(1)烧结致密化成本高。
(2)力学性能不高,特别是断裂韧性低(KIC~2.2MPa·m1/2)。
因此,为了能够让B4C陶瓷在我国的国防和工业领域发挥出应有的作用,必须同时解决烧结致密化困难和力学性能不佳两个制约因素。
通过对文献资料中初始粉体和烧结制品的微观形貌分析可以看出:研究工作中所使用的初始B4C粉末的粒径非常不均匀。除了文献报道中的B4C粉体形貌不均匀之外,对目前被大多数国内外科研工作者采用的德国H.C.Starck公司生产的B4C粉体进行了微观形貌分析,B4C的粒径均匀度差,粒径分布很广,为30-700nm。
现有技术中,以石墨烯为碳源,利用传统粉料混合工艺和传统气固反应工艺,在热压烧结炉中制备超细碳化硼粉体。传统混料中使用的工艺,导致两种原料混合不够均匀。气固法的反应,存在不稳定性,如在真空环境下,B4C产量很少。石墨烯为片状结构,比表面积有限,对B2O3的吸附能力较小。由于B2O3与石墨烯反应时首先在石墨烯边缘处反应,随后再扩展至石墨烯结构内部。石墨烯边缘和内部与B2O3发生碳热还原反应在时间上的不同步,使得制备的碳化硼粉体单分散性不理想,粒径的均匀度不高。另外,热压炉的升温以及降温速度没有SPS炉快,会导致合成的粉体晶粒尺寸较大。
另外,还有将碳源与硼源的复合粉体在真空或者惰性气氛中煅烧,其中复合粉体采用搅拌、球磨、或者湿法球磨的方法进行混合原料,在热压炉参数为1350-2200℃,碳源为酚醛树脂,硼源包括氧化硼或者硼酸,利用该方法制备得到粒径分布均匀、纯度高的纳米碳化硼。但是,酚醛树脂在高温煅烧的情况下,产生片状结构碳,还是会导致反应在时间上面的不同步。片状结构的碳源对于硼源的吸附能力不足,有机多空碳源对于硼源的吸附,相对于片状结构的碳源优势明显另外,SPS炉对于热压炉而言,升温降温速度快,难以导致粉体的晶粒异常长大。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供一种采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,为了获得纯度高、粒径单分散的纳米B4C粉体,并且降低B4C陶瓷烧结致密化成本,提高B4C陶瓷的力学性能,特别是断裂韧性。
具体的技术方案为:
采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,包括以下步骤:
采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,包括以下步骤:
(1)在两个容器内,分别将六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶解在溶剂甲醇中;容器中各加入磁子,使用有加热功能的磁力搅拌器,溶液分别加热至25~60℃,持续磁力搅拌1~1.5h;
(2)将六水合硝酸锌的溶液倒入二甲基咪唑溶液中,混合后静置3~96h;
(3)将反应物的上清液移除,通过离心分离得到ZIF-8白色沉淀,白色沉淀用甲醇清洗,清洗后的ZIF-8粉体干燥处理,干燥的ZIF-8研磨;
(4)ZIF-8粉体在氩气氛下进行热解得到纳米多孔碳;
(5)按照摩尔比1~10:7取硼酸H3BO3和纳米多孔碳,在65℃时溶于比H3BO3质量重十倍的去离子水中,超声分散2h,之后再旋转蒸发、烘箱烘干、研磨、过100目筛;
(6)SPS炉或者碳管炉煅烧得到碳化硼。
步骤(1)中六水合硝酸锌、二甲基咪唑、甲醇的摩尔比为1:2~8:290~727。
步骤(3)中,离心分离参数为10000rpm、5min;
甲醇清洗三次,每次的过程为:在白色沉淀中加入甲醇,超声分散使得白色沉淀溶于甲醇当中,再次离心,再次得到白色沉淀;
三次清洗的离心机参数依次为10000rpm、10min;10000rpm、12min;10000rpm、15min。
干燥处理为烘箱干燥处理,烘箱温度参数设置为80~100℃,干燥时间为8~15h。
步骤(4)热解条件为,箱式炉设置温度600℃~1200℃,保温4-6h。
步骤(5)旋转蒸发,参数为70rpm、70℃、3h;烘箱参数为100℃、1h;研钵研磨5~10min。
步骤(6)SPS炉煅烧条件为1600℃~1900℃,保温30min~2h。
本发明以MOFs碳化后得到的纳米多孔碳为碳源合成B4C粉体。选用MOFs材料中应用广泛的ZIF-8作为碳源前驱体。ZIF-8在合适的温度裂解之后,能够得到具有有序纳米孔结构、形貌规则且均匀的NPC粉体。使用的NPC会保留裂解前ZIF-8的原始网络结构,而且其粒径大小随ZIF-8的粒径大小而改变,因为NPC的多孔构造,所以相比传统的实心碳源而言反应物的接触面积会增大,这样使得原料在高温下的反应更加充分,从而可以进一步减少反应中硼源的添加量,有助于得到更小粒径的B4C粉体。
本发明提供的采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,能制备较高产率和高性能NPC粉体,即粒径单分散且纳米孔结构有序,制备出粒径均匀且粒径可调控的ZIF-8粉体,通过优化ZIF-8粉体的热解工艺,如热解温度和保温时间,得到不含Zn元素杂质且能够保留均匀粒径和有序纳米孔结构的NPC。
附图说明
图1为本发明的流程图;
图2为实施例1产物的SEM照片;
图3为实施例2产物的SEM照片;
图4为实施例3产物的SEM照片;
图5为实施例4产物的SEM照片;
图6为实施例5产物的SEM照片。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
实施例1
按照如图1所示的流程,采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,包括以下步骤:
(1)在两个容器内,分别将六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶解在溶剂甲醇中;容器中各加入磁子,使用有加热功能的磁力搅拌器,溶液分别加热至25℃,持续磁力搅拌1h;
六水合硝酸锌、二甲基咪唑、甲醇的摩尔比为1:2.36:727。
(2)将六水合硝酸锌的溶液倒入二甲基咪唑溶液中,混合后静置3h;
(3)将反应物的上清液移除,通过离心分离得到ZIF-8白色沉淀,离心分离参数为10000rpm、5min;白色沉淀用甲醇清洗,甲醇清洗三次,每次的过程为:在白色沉淀中加入甲醇,超声分散使得白色沉淀溶于甲醇当中,再次离心,再次得到白色沉淀;三次清洗的离心机参数依次为10000rpm、10min;10000rpm、12min;10000rpm、15min。
清洗后的ZIF-8粉体干燥处理,干燥的ZIF-8研磨;干燥处理为烘箱干燥处理,烘箱温度参数设置为100℃,保温时间8h。
(4)ZIF-8粉体在氩气氛下进行热解得到纳米多孔碳;热解条件为,箱式炉设置温度800℃,保温4h。
(5)按照摩尔比2:7取硼酸H3BO3和纳米多孔碳,在65℃时溶于比H3BO3质量重十倍的去离子水中,超声分散2h,之后再旋转蒸发、烘箱烘干、研磨、过100目筛;旋转蒸发,参数为70rpm、70℃、3h;烘箱参数为100℃、1h;研钵研磨5min。
(6)SPS炉煅烧得到碳化硼。SPS炉煅烧条件为1900℃,保温2h。
所得产物的粉体SEM照片如图2所示。
实施例2
按照如图1所示的流程,采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,包括以下步骤:
(1)在两个容器内,分别将六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶解在溶剂甲醇中;容器中各加入磁子,使用有加热功能的磁力搅拌器,溶液分别加热至40℃,持续磁力搅拌1h;
六水合硝酸锌、二甲基咪唑、甲醇的摩尔比为1:3.36:727。
(2)将六水合硝酸锌的溶液倒入二甲基咪唑溶液中,混合后静置10h;
(3)将反应物的上清液移除,通过离心分离得到ZIF-8白色沉淀,离心分离参数为10000rpm、5min;白色沉淀用甲醇清洗,甲醇清洗三次,每次的过程为:在白色沉淀中加入甲醇,超声分散使得白色沉淀溶于甲醇当中,再次离心,再次得到白色沉淀;三次清洗的离心机参数依次为10000rpm、10min;10000rpm、12min;10000rpm、15min。
清洗后的ZIF-8粉体干燥处理,干燥的ZIF-8研磨;干燥处理为烘箱干燥处理,烘箱温度参数设置为100℃,干燥时间为8h。
(4)ZIF-8粉体在氩气氛下进行热解得到纳米多孔碳;热解条件为,箱式炉设置温度850℃,保温6h。
(5)按照摩尔比2.5:7取硼酸H3BO3和纳米多孔碳,在65℃时溶于比H3BO3质量重十倍的去离子水中,超声分散2h,之后再旋转蒸发、烘箱烘干、研磨、过100目筛;旋转蒸发,参数为70rpm、70℃、3h;烘箱参数为100℃、1h;研钵研磨7min。
(6)SPS炉煅烧得到碳化硼。SPS炉煅烧条件为1850℃,保温30min。
所得产物的粉体SEM照片如图3所示。
实施例3
按照如图1所示的流程,采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,包括以下步骤:
(1)在两个容器内,分别将六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶解在溶剂甲醇中;容器中各加入磁子,使用有加热功能的磁力搅拌器,溶液分别加热至50℃,持续磁力搅拌1.3h;
六水合硝酸锌、二甲基咪唑、甲醇的摩尔比为1:4.48:727。
(2)将六水合硝酸锌的溶液倒入二甲基咪唑溶液中,混合后静置15h;
(3)将反应物的上清液移除,通过离心分离得到ZIF-8白色沉淀,离心分离参数为10000rpm、5min;白色沉淀用甲醇清洗,甲醇清洗三次,每次的过程为:在白色沉淀中加入甲醇,超声分散使得白色沉淀溶于甲醇当中,再次离心,再次得到白色沉淀;三次清洗的离心机参数依次为10000rpm、10min;10000rpm、12min;10000rpm、15min。
清洗后的ZIF-8粉体干燥处理,干燥的ZIF-8研磨;干燥处理为烘箱干燥处理,烘箱温度参数设置为90℃,干燥时间为10h。
(4)ZIF-8粉体在氩气氛下进行热解得到纳米多孔碳;热解条件为,箱式炉设置温度850℃,保温5h。
(5)按照摩尔比10:7取硼酸H3BO3和纳米多孔碳,在65℃时溶于比H3BO3质量重十倍的去离子水中,超声分散2h,之后再旋转蒸发、烘箱烘干、研磨、过100目筛;旋转蒸发,参数为70rpm、70℃、3h;烘箱参数为100℃、1h;研钵研磨8min。
(6)SPS炉煅烧得到碳化硼。SPS炉煅烧条件为1600℃,保温1h。
所得产物的粉体SEM照片如图4所示。
实施例4
按照如图1所示的流程,采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,包括以下步骤:
(1)在两个容器内,分别将六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶解在溶剂甲醇中;容器中各加入磁子,使用有加热功能的磁力搅拌器,溶液分别加热至60℃,持续磁力搅拌1.5h;
六水合硝酸锌、二甲基咪唑、甲醇的摩尔比为1:8:290。
(2)将六水合硝酸锌的溶液倒入二甲基咪唑溶液中,混合后静置23h;
(3)将反应物的上清液移除,通过离心分离得到ZIF-8白色沉淀,离心分离参数为10000rpm、5min;白色沉淀用甲醇清洗,甲醇清洗三次,每次的过程为:在白色沉淀中加入甲醇,超声分散使得白色沉淀溶于甲醇当中,再次离心,再次得到白色沉淀;三次清洗的离心机参数依次为10000rpm、10min;10000rpm、12min;10000rpm、15min。
清洗后的ZIF-8粉体干燥处理,干燥的ZIF-8研磨;干燥处理为烘箱干燥处理,烘箱温度参数设置为100℃,干燥时间为15h。
(4)ZIF-8粉体在氩气氛下进行热解得到纳米多孔碳;热解条件为,箱式炉设置温度900℃,保温6h。
(5)按照摩尔比5:7取硼酸H3BO3和纳米多孔碳,在65℃时溶于比H3BO3质量重十倍的去离子水中,超声分散2h,之后再旋转蒸发、烘箱烘干、研磨、过100目筛;旋转蒸发,参数为70rpm、70℃、3h;烘箱参数为100℃、1h;研钵研磨10min。
(6)SPS炉煅烧得到碳化硼。SPS炉煅烧条件为1750℃,保温1.5h。
所得产物的粉体SEM照片如图5所示。
实施例5
按照如图1所示的流程,采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,包括以下步骤:
(1)在两个容器内,分别将六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶解在溶剂甲醇中;容器中各加入磁子,使用有加热功能的磁力搅拌器,溶液分别加热至60℃,持续磁力搅拌1.5h;
六水合硝酸锌、二甲基咪唑、甲醇的摩尔比为1:2:290。
(2)将六水合硝酸锌的溶液倒入二甲基咪唑溶液中,混合后静置96h;
(3)将反应物的上清液移除,通过离心分离得到ZIF-8白色沉淀,离心分离参数为10000rpm、5min;白色沉淀用甲醇清洗,甲醇清洗三次,每次的过程为:在白色沉淀中加入甲醇,超声分散使得白色沉淀溶于甲醇当中,再次离心,再次得到白色沉淀;三次清洗的离心机参数依次为10000rpm、10min;10000rpm、12min;10000rpm、15min。
清洗后的ZIF-8粉体干燥处理,干燥的ZIF-8研磨;干燥处理为烘箱干燥处理,烘箱温度参数设置为100℃,干燥时间为15h。
(4)ZIF-8粉体在氩气氛下进行热解得到纳米多孔碳;热解条件为,箱式炉设置温度1200℃,保温6h。
(5)按照摩尔比1:7取硼酸H3BO3和纳米多孔碳,在65℃时溶于比H3BO3质量重十倍的去离子水中,超声分散2h,之后再旋转蒸发、烘箱烘干、研磨、过100目筛;旋转蒸发,参数为70rpm、70℃、3h;烘箱参数为100℃、1h;研钵研磨10min。
(6)升降温速度快的碳管炉煅烧得到碳化硼。碳管炉煅烧条件为1900℃,保温2h。
所得产物的粉体SEM照片如图6所示。
Claims (6)
1.采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在两个容器内,分别将六水合硝酸锌、二甲基咪唑溶解在溶剂甲醇中;容器中各加入磁子,使用有加热功能的磁力搅拌器,溶液分别加热至25~60℃,持续磁力搅拌1~1.5h;
(2)将六水合硝酸锌的溶液倒入二甲基咪唑溶液中,混合后静置3~96h;
(3)将反应物的上清液移除,通过离心分离得到ZIF-8白色沉淀,白色沉淀用甲醇清洗,清洗后的ZIF-8粉体干燥处理,干燥的ZIF-8研磨;
(4)ZIF-8粉体在氩气氛下进行热解得到纳米多孔碳;
(5)按照摩尔比1~10:7取硼酸H3BO3和纳米多孔碳,在65℃时溶于比H3BO3质量重十倍的去离子水中,超声分散2h,之后再旋转蒸发、烘箱烘干、研磨、过100目筛;
(6)SPS炉或者碳管炉煅烧得到碳化硼。
2.根据权利要求1所述的采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,其特征在于,步骤(1)中六水合硝酸锌、二甲基咪唑、甲醇的摩尔比为1:2~8:290~727。
3.根据权利要求1所述的采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,其特征在于,步骤(3)中,离心分离参数为10000rpm、5min;
甲醇清洗三次,每次的过程为:在白色沉淀中加入甲醇,超声分散使得白色沉淀溶于甲醇当中,再次离心,再次得到白色沉淀;
三次清洗的离心机参数依次为10000rpm、10min;10000rpm、12min;10000rpm、15min。
干燥处理为烘箱干燥处理,烘箱温度参数设置为80~100℃,干燥时间为8~15h。
4.根据权利要求1所述的采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,其特征在于,步骤(4)热解条件为,箱式炉设置温度600℃~1200℃,保温4-6h。
5.根据权利要求1所述的采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,其特征在于,步骤(5)旋转蒸发,参数为70rpm、70℃、3h;烘箱参数为100℃、1h;研钵研磨5~10min。
6.根据权利要求1所述的采用有机碳源制备碳化硼粉体的方法,其特征在于,步骤(6)SPS炉煅烧条件为1600℃~1900℃,保温30min~2h。
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