CN105503191A - 一种碳化硼喷雾造粒粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用喷雾造粒技术得到碳化硼造粒粉体的制备方法，包括以下步骤：将重量百分比为碳化硼粉(D50≥1μm)70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化钇粉0.7～2wt％三种原料放入球磨机混料容器，加入粘结剂、分散剂和去离子水后进行球磨制浆，控制球磨机转速、球料比和混料时间，所得浆料固相含量为25～45wt％；所得浆料通入喷雾干燥造粒机，通过控制进风和出风温度、料泵频率等参数，得到球形的造粒粉体。本发明的喷雾造粒粉体工艺简单、成本低、产量高、造粒粉质量优良，适用于制备高致密度和高性能无压烧结碳化硼陶瓷。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用喷雾造粒技术制备碳化硼预混粉的方法，属于结构陶瓷领域。
技术背景
碳化硼陶瓷因具有低密度、高硬度(仅次于金刚石和立方氮化硼)、高弹性模量、耐腐蚀、耐磨损和吸收中子以及高温半导体特性，被用作中子吸收材料、防弹材料、耐磨喷嘴、半导体精密结构部件等，在核能、国防和机械等领域得到广泛应用。
碳化硼陶瓷共价键分数大于90％以上，自扩散系数非常低，气孔的消除、晶界和体积扩散的传质机制需要极高的温度，单纯的碳化硼陶瓷烧结极其困难。目前，已实现产业化的高性能碳化硼陶瓷的制备方法主要有热压烧结和无压烧结两种工艺。热压工艺是在烧结的同时对碳化硼烧结体施加一定的压力，促进碳化硼陶瓷的致密化，但热压工艺单炉产量有限，而且只能制备尺寸较小、形状较为简单的结构产品，因此热压碳化硼综合成本十分高昂。无压烧结工艺优点是适合规模化生产，具有低成本优势，而且可以制备大尺寸、复杂形状的结构部件，是目前碳化硼陶瓷工业化生产主要的制备方法之一。
合格的碳化硼造粒粉体是无压烧结碳化硼陶瓷的重要前提，通常来说，碳化硼造粒粉体的粒径、粒度分布以及流动性、水分含量等参数会直接影响到粉体的成型密度和烧结性能。
发明内容
本发明提供了一种利用喷雾造粒技术制备碳化硼造粒粉体的方法，具有成本低、产量高、质量优良的特点。包括以下步骤：
(1)配料：将各种原料放入混料容器中，所述的各种原料包括以下重量百分比的各组分：碳化硼粉70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化钇粉0.7～2wt％；
(2)球磨制浆：球磨制浆前加入粘结剂和去离子水，所得的浆料的固相含量为25～45wt％。通过控制球料比、球磨机转速、球磨混料时间，制得适合于喷雾干燥造粒的浆料，具体为采用树脂、氧化锆或氧化铝作为球磨时的介质球，球径为1～10mm，球料比介质球的重量与碳化硼、碳粉、氧化钇粉三种原料重量之和的比值为(0.5～5)：1，混料时间为1～24h，浆料pH值为4～10，球磨机转速为50～200转/分钟。
(3)喷雾造粒：将步骤(2)所得浆料，利用喷雾干燥造粒工艺制得造粒粉体，具体为：
采用料浆泵将步骤(2)中制备的浆料送入喷雾干燥造粒机的造粒喷头中雾化形成微小雾滴，浆料泵输送浆料的压力为0.02～0.4Mpa，离心转盘转速为2000～20000转/分钟，喷雾干燥造粒机的进口温度为120～250℃，出口温度80～150℃。
(4)过筛：将所得粉体过50-100目筛，得到球形造粒粉体，水分含量为1-3％，粒径D50约为70-150μm。
本发明上述步骤(2)中的制浆设备为立式或卧式球磨机等常规混料设备。
本发明上述的碳化硼粉的纯度≥95％，粒径为D50≥1μm。
本发明上述的碳粉为水溶性色素碳黑，粒径为5～200nm。
本发明上述的氧化钇粉为纯度≥95％，粒径为100nm～2μm。
本发明上述步骤(1)中的原料还可以包括粘结剂15～25wt％，分散剂0.5～2wt％。加入粘结剂和分散剂后，步骤(1)中的各原料配比为：碳化硼粉70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化钇粉0.7～2wt％，粘结剂15～25wt％，分散剂0.5～2wt％；球磨混料前加入一定量的去离子水，使得所得浆料的固相含量为25～45wt％。
本发明上述步骤(2)中加入去离子水后固相含量为25～45wt％，其固相含量是指原料中碳化硼粉、氧化钇粉、碳粉形成的固态成分总重量。
本发明上述的粘结剂可采用酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、甲基纤维素中的一种或一种以上。
本发明上述的分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、四甲基氢氧化铵中的一种或一种以上。
本发明的优点和有益效果：
本发明利用喷雾造粒技术制备碳化硼造粒粉体，粒径D50约为70-150μm，水分含量约为1-3％，流动性和成型性良好，可用于制备高性能的无压烧结碳化硼陶瓷。本方法具有产量高、成本低等优点，适宜工业化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
本发明下述实施例中的原料为市售产品，设备为行业常规设备。
实施例1：
将碳化硼粉900克(D50≥2μm)、碳粉65克、氧化钇粉10克、去离子水2600克，加入球磨机混料容器中，加入240g酚醛树脂、10克聚乙烯醇和20克分散剂(聚丙烯酸铵)进行球磨制浆。控制球磨混料时间、球磨机转速、球料比，制得适合喷雾干燥造粒的浆料，具体为：采用聚氨酯球作为球磨时的介质球，球直径为10mm，球料比即介质球的重量与碳化硼、碳粉、氧化钇三种原料之和的比值为3:1，球磨混料时间为12小时，浆料pH值为8～10，球磨机转速为80转/分钟。然后，经过喷雾造粒得到造粒粉，具体为：将浆料过300目筛后，用蠕动泵将浆料送入喷雾干燥造粒机的离心转盘喷头，离心转盘的转速为6000转/分钟，形成微小雾滴，喷雾干燥造粒机的进口温度为150℃，出口温度为110℃。将所得粉体过100目筛，得到球形造粒粉体。
该碳化硼造粒粉的水分含量为1.8％，粒径D50为110μm，生坯成型密度为1.45g/cm3。
实施例2：
将碳化硼粉910克(D50≥2μm)、碳粉60克、氧化钇粉9克、去离子水2500克，加入球磨机混料容器中，加入250g酚醛树脂、10克聚乙烯醇缩丁醛和20克分散剂(柠檬酸铵)进行球磨制浆(球磨制浆过程如实施例1)。然后，经过喷雾造粒得到造粒粉，具体为：将浆料过300目筛后，用蠕动泵将浆料送入喷雾干燥造粒机的离心转盘喷头，离心转盘的转速为6000转/分钟，形成微小雾滴，喷雾干燥造粒机的进口温度为160℃，出口温度为120℃。将所得粉体过100目筛，得到球形造粒粉体。
该碳化硼造粒粉的水分含量为1.6％，粒径D50为130μm，生坯成型密度为1.44g/cm3。
实施例3：
将碳化硼粉920克(D50≥2μm)、碳粉55克、氧化钇粉10克、去离子水2700克，加入球磨机混料容器中，加入250g酚醛树脂、10克聚乙烯醇和20克分散剂(聚丙烯酸铵)进行球磨制浆(球磨制浆过程如实施例1)。然后，经过喷雾造粒得到造粒粉，具体为：将浆料过300目筛后，用蠕动泵将浆料送入喷雾干燥造粒机的离心转盘喷头，离心转盘的转速为6000转/分钟，形成微小雾滴，喷雾干燥造粒机的进口温度为150℃，出口温度为120℃。将所得粉体过100目筛，得到球形造粒粉体。
该碳化硼造粒粉的水分含量为1.9％，粒径D50为140μm，生坯成型密度为1.46g/cm3。
Claims (9)
1.一种碳化硼造粒粉体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)配料：将各种原料放入混料容器中，所述的各种原料包括以下重量百分比的各组分：碳化硼粉70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化钇粉0.7～2wt％；
(2)球磨制浆：球磨制浆前加入粘结剂和去离子水，所得的浆料的固相含量为25～45wt％。通过控制球料比、球磨机转速、球磨混料时间，制得适合于喷雾干燥造粒的浆料，具体为采用树脂、氧化锆或氧化铝作为球磨时的介质球，球径为1～10mm，球料比介质球的重量与碳化硼、碳粉、氧化钇粉三种原料重量之和的比值为(0.5～5)：1，混料时间为1～24h，浆料pH值为4～10，球磨机转速为50～200转/分钟。
(3)喷雾造粒：将步骤(2)所得浆料，利用喷雾干燥造粒工艺制得造粒粉体，具体为：
采用料浆泵将步骤(2)中制备的浆料送入喷雾干燥造粒机的造粒喷头中雾化形成微小雾滴，浆料泵输送浆料的压力为0.02～0.4Mpa，离心转盘转速为2000～20000转/分钟，喷雾干燥造粒机的进口温度为120～250℃，出口温度80～150℃。
(4)过筛：将所得粉体过50-100目筛，得到球形造粒粉体，水分含量为1-3％，粒径D50约为70-150μm。
2.根据权利要求1所述的碳化硼造粒粉体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的制浆设备为立式或卧式球磨机。
3.根据权利要求1所述的碳化硼造粒粉体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的球磨制浆，通过控制球料比、球磨机转速、球磨混料时间，制得适合于喷雾干燥造粒的浆料，具体为采用树脂、氧化锆或氧化铝作为球磨时的介质球，球径为1～10mm，球料比即介质球的重量与碳化硼、碳粉、氧化钇粉三种原料重量之和的比值为(0.5～5)：1，混料时间为1～24h，浆料pH值为4～10，球磨机转速为50～900转/分钟。
4.根据权利要求1所述的碳化硼造粒粉体的制备方法，其特征在于：所述的碳化硼粉为纯度≥95％，平均粒径为D50≥1μm的碳化硼粉。
5.根据权利要求1所述的碳化硼造粒粉体的制备方法，其特征在于：所述的碳粉为水溶性色素碳黑，粒径为5～200nm。
6.根据权利要求1所述的基于粗颗粒粉体的无压烧结碳化硼陶瓷制备方法，其特征在于：所述的氧化钇粉纯度≥95％，粒径为100nm～2μm。
7.根据权利要求1所述的碳化硼造粒粉体的制备方法，其特征在于步骤(1)中的原料还可以包括粘结剂和分散剂，加入粘结剂和分散剂后，步骤(1)中的各原料配比为：碳化硼粉70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化钇粉0.7～2wt％，粘结剂15～25wt％，分散剂0.5～2wt％；球磨混料前加入一定量的去离子水，使得所得浆料的固相含量为25～45wt％。
8.根据权利要求7所述的碳化硼造粒粉体的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂为酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、甲基纤维素中的一种或一种以上。
9.根据权利要求7所述的碳化硼造粒粉体的制备方法，其特征在于：所述的分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、四甲基氢氧化铵中的一种或一种以上。
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