纯相ZrB2粉体的硅热还原法制备

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ZrB2具有高熔点、高热导、硬度大、优异的抗热震性能和抗氧化性能,从而被广泛地应用于高温结构陶瓷、耐火耐磨材料、复合材料、电极等领域,特别是ZrB2基陶瓷复合材料已成为超高温陶瓷领域的重要候选材料。ZrB2陶瓷粉体的性能对陶瓷材料烧结及制品的性能有着重要影响,目前文献报道的ZrB2陶瓷粉体制备方法包括自蔓延燃烧合成、机械合金化、碳热还原、硼热还原、熔盐辅助镁热还原等,但目前商业上主要采用碳热还原法和镁热还原法制备ZrB2陶瓷粉体。其中碳热还原法具有成本低、工艺简单等优点,但反应温度高(≥1500℃)、能耗大、且反应不完全、残碳难清除,制得的粉体粒径较大,需要进一步研磨加工,所得ZrB2粉体纯度不高。基于镁热还原反应的自蔓延高温合成法是近几年的研究热点,该方法反应速度快、能耗低、产物烧结活性高,但在反应过程中,由于温度急剧变化,反应过程难以控制,制得的粉体粒径与成分不均匀,且反应副产物需要通过酸处理工艺去除,有较大的环境风险。本文以二氧化锆、硼砂为原料,以化学性质较为稳定、成本较低的硅粉为还原剂,采用硅热还原法制备ZrB2粉体。在硅热还原反应的基础上,通过加入钠的含氧酸盐引入Na2O,吸收硅热还原反应的副产物Si O2,将其转变为水溶性的硅酸钠,实现纯相ZrB2陶瓷粉体的环境友好制备。本文主要研究了未添加钠的含氧盐与添加不同种类钠的含氧盐对实验的影响,并分别在三种体系内探究了反应温度、反应时间、原料配比等工艺条件对反应进程、产物物相组成和形貌结构的影响,并根据实验结果研究其反应机理。结果表明:(1)以ZrO2、Na2B4O7为原料,Si粉为还原剂,通过硅热还原法可以在较低温度下(1200℃)合成ZrB2。通过升高反应温度和延长反应时间,促进ZrB2的合成。硅粉和硼砂用量补偿性增加也能促进反应正向进行。(2)通过添加钠的含氧酸盐SS-L引入Na2O后,较未引入Na2O体系,合成ZrB2所需温度降低200℃。随反应温度升高、反应时间延长,反应完成度增加。该体系产物中硅酸盐可以较多溶解在热水中,产物纯度较高,ZrB2晶粒呈极薄的多边片状,平均晶粒尺寸为0.9μm。(3)通过添加钠的含氧酸盐SS-H引入Na2O后,在1200℃保温3h条件下制得了ZrB2粉体。随反应温度升高、反应时间延长,反应完成度增加。增加20 wt%的硅粉用量,有效降低反应所需温度条件至1000℃保温3h。(4)通过钠的含氧酸盐的方式引入Na2O后,可与Na2B4O7在高温下形成一定量的熔体,改善了传质过程,同时Na2O可以吸收硅热还原反应的副产物Si O2,副产物硅酸钠的钠硅比从1:5降低为1:2,形成水溶性较好的Na2Si2O5,可通过热水洗涤去除,促进了硅热还原反应的进行。热力学计算结果也表明:在实验研究温度范围内,钠盐的加入明显降低了反应体系的ΔG,反应体系的粘度也有所下降。(5)不引入Na2O时,硅热还原反应主要发生于Si的表面,Si、ZrO2与Na2B4O7熔体中的B2O3在Si的表面发生反应;引入Na2O后,ZrO2可形成中间相Na2Zr Si2O7,增加了反应活性,反应进程发生明显变化。(6)ZrO2分别与碳酸钠、草酸钠、乙酸钠、柠檬酸钠反应,可以在较低温度下(900℃)预合成锆酸钠。以锆酸钠、Na2B4O7为原料,Si粉为还原剂可以合成ZrB2,但反应机理、副产物的分离提纯等还需要进一步研究。
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