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CN111377449A - 一种碳化硼纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

一种碳化硼纳米颗粒的制备方法 Download PDF

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CN111377449A CN201811617858.7A CN201811617858A CN111377449A CN 111377449 A CN111377449 A CN 111377449A CN 201811617858 A CN201811617858 A CN 201811617858A CN 111377449 A CN111377449 A CN 111377449A
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Abstract

本发明涉及一种碳化硼纳米颗粒的制备方法，以硼粉为原料，碳材料为还原剂，过渡性金属无机盐为催化剂，在炉内加热还原生成B4C纳米颗粒；所述硼粉与碳材料按摩尔比为（1～20）：1，添加质量分数为1～60%过渡性金属无机盐催化剂；无水乙醇为溶剂，超声混合均匀，再经烘干后在高温炉内加热，制得产物。本发明的优点是通过化学分析结果证明，硼与碳反应完全，制备出的碳化硼达纳米级别，尺寸分布窄，形貌均一且纯度高。所制得碳化硼颗粒可用于烧结陶瓷制品，因为纳米效应，其陶瓷制品会具有比当前微米级别碳化硼更高的防弹效果和中子吸收效果。

Description

一种碳化硼纳米颗粒的制备方法
技术领域
本发明涉及冶金化工技术领域，具体涉及一种碳化硼纳米颗粒的制备方法。
背景技术
碳化硼由于其共价键的性质具有熔点高、硬度高、耐磨性好、耐酸碱腐蚀、密度小、热中子吸收能力强的优点。碳化硼作为最轻的陶瓷材料，由于其密度小可以用作喷气机叶片，在航天航空领域应用较多；由于其中子吸收能力强可用作核反应堆的控制棒和阻止放射性物质泄漏的材料。但高性能的碳化硼陶瓷制品依赖于更高品质的粉体，超细纳米粉体的制备始终困扰着碳化硼的进一步发展。根据合成碳化硼粉末所采用的反应原理、原料及设备的不同，碳化硼粉末的工业制取方法主要有碳管炉、电弧炉碳热还原法和高温自蔓延合成法。碳管炉、电弧炉碳热还原法的缺陷在于能耗大、生产能力较低、高温下对炉体的损坏严重，尤其是合成的原始粉末平均粒径大。高温自蔓延合成法所得反应物中残留的必须通过附加的工艺洗去，且极难彻底除去。因此，目前的技术手段想要得到纳米级别的颗粒非常困难。
发明内容
本发明的一个目的在于解决现有技术获取纳米级碳化硼颗粒难度大的问题，提供了一种纳米碳化硼颗粒的制备方法。
本发明的具体方案如下：一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，包括如下步骤：
S1：按照摩尔比（1～10）：1比例取硼粉和碳源混合，得到黑色混合物A；
S2：将黑色混合物A、过渡性金属无机盐和无水乙醇按质量比100：（1～50）：（100～1000）的比例超声搅拌后得到黑色浆液；
S3：将所得黑色浆液置于（30～300℃）烘箱中烘干（0.2～12h）获得黑色干燥混合物；
S4：将所得黑色干燥混合物置于石墨坩埚中在气体氛围下用高温炉加热至700～1600℃并保温(0.1～6) h，冷却后得到黑色碳化硼粉体；
S5：将所得黑色碳化硼粉体置于300～900℃加热设备中保温1～12h，除去游离碳粉；再用酸溶液清洗除去催化剂和B2O3后，经过离心操作得到离心沉淀物；
S6：将所得离心沉淀物在30～200℃烘箱条件下烘干0.2～12h得到碳化硼颗粒。
本发明采用硼粉和碳材料为原料，为降低所需反应温度添加过渡性金属无机盐为催化剂。通过控制烧结工艺和原料，可获得粒径分布较窄，形貌均一的纳米碳化硼颗粒。其反应方程式为：B+C=B4C。
作为优选，步骤S1所述碳源为鳞片石墨、微晶石墨、乙炔黑、活性碳、石墨烯、碳纳米管或空心碳球的一种。
作为优选，步骤S2所述超声搅拌的时间为1～30min。
作为优选，步骤S4所述冷却的速率为1～20℃/min。
作为优选，步骤S4所述气体为氦气、氩气中的一种。
作为优选，步骤S4所述气体为空气、氧气、二氧化碳中的一种。
作为优选，步骤S5中所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸中的一种。
与现有碳化硼颗粒制备方法相比，本发明具有以下实质性效果：操作简单，原料混合后烘干即可，对设备要求较小，可大规模工业化生产；制备时加入催化剂，所需温度低，对高温炉设备要求较低，节约能源，成本较低；所得产物纯度高，后续处理简单；所得产物效果形貌均一，粒度分布窄，经过工艺调控可获得粒度为50-300nm的碳化硼纳米颗粒。
附图说明
图1是本发明实施例所得产物X射线衍射照片；
图2是本发明实施例所得产物的扫描电子显微照片；
图3是本发明实施例所得产物的透射电子显微镜照片。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照摩尔比（1～10）：1比例取硼粉和碳源混合，得到黑色混合物A；碳源为鳞片石墨、微晶石墨、乙炔黑、活性碳、石墨烯、碳纳米管或空心碳球的一种，硼粉和碳源的摩尔比为4：1。
S2：将黑色混合物A、过渡性金属无机盐和无水乙醇按质量比100：（1～50）：（100～1000）的比例超声搅拌后得到黑色浆液；超声搅拌的时间为10～20min；其中过渡性金属无机盐与黑色混合物A的质量分数比为1～10%，可为5%。
S3：将所得黑色浆液置于烘箱中（30～300℃）烘干（0.2～12h）获得黑色干燥混合物，烘箱温度可设为70℃，干燥时间可设置成3～5h。
S4：将所得黑色干燥混合物置于石墨坩埚中在气体氛围下用高温炉加热至700～1600℃并保温(0.1～6) h，冷却后得到黑色碳化硼粉体。其中，气体氛围的气体可选择氦气或氩气中的一种；高温炉的升温控制方式可设置为：用100min的时间将温度从室温升至500℃，再用30min的时间将温度从500℃升至800℃，再用40min的时间将温度从800℃升温至1000℃，最后用64min的时间将温度从1000℃升温至1160℃，保温4h后再以为1～20℃/min的速率冷却。S5：将所得黑色碳化硼粉体置于300～900℃加热设备中保温1～12h，除去游离碳粉；再用酸溶液清洗除去催化剂和B2O3后，经过离心操作得到离心沉淀物；其中；酸溶液可选择20%的硫酸，加热设备可选择马弗炉，保温温度设置为400～800℃，保温时间设置为4～8h。
S6：将所得离心沉淀物在30～200℃烘箱条件下烘干0.2～12h得到碳化硼颗粒。烘箱的温度可设置为80℃，干燥时间可设置为12h。
实施例：
称取0.174六水合硝酸镍于500ml烧杯中，加入无水乙醇使其溶解，称取2.7g无定型硼粉和0.81g 高导电碳球，加到所得溶液中，置于超声设备中超声搅拌15min，得到黑色浆液；将得到的黑色浆液置于70℃烘箱中干燥3 h，然后将其装入石墨坩埚置于高温炉上，用100min的时间将温度从室温升至500℃，再用30min的时间将温度从500℃升至800℃，再用40min的时间将温度从800℃升温至1000℃，最后用64min的时间将温度从1000℃升温至1160℃，此时通入氩气作保护性气体保温4h，然后再将其置于800℃马弗炉中保温4 h，除去游离碳粉，再用20%硫酸溶液超声进行清洗除去催化剂和B2O3，离心后得到粉体，再将该粉体至于80℃的烘箱内烘干12h，得到最终产物，即为碳化硼颗粒。
本实施方式得到的碳化硼颗粒的XRD图如图1所示，从图中可以清晰地看出只有碳化硼的衍射峰，如图2、图3所示，所得碳化硼颗粒的直径为50～100nm，已达到纳米级。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：按照摩尔比（1～10）：1比例取硼粉和碳源混合，得到黑色混合物A；
S2：将黑色混合物A、过渡性金属无机盐和无水乙醇按质量比100：（1～50）：（100～1000）的比例超声搅拌后得到黑色浆液；
S3：将所得黑色浆液置于（30～300℃）烘箱中烘干（0.2～12h）获得黑色干燥混合物；
S4：将所得黑色干燥混合物置于石墨坩埚中在气体氛围下用高温炉加热至700～1600℃并保温(0.1～6) h，冷却后得到黑色碳化硼粉体；
S5：将所得黑色碳化硼粉体置于300～900℃加热设备中保温1～12h，除去游离碳粉；再用酸溶液清洗除去催化剂和B2O3后，经过离心操作得到离心沉淀物；
S6：将所得离心沉淀物在30～200℃烘箱条件下烘干0.2～12h得到碳化硼颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S1所述碳源为鳞片石墨、微晶石墨、乙炔黑、活性碳、石墨烯、碳纳米管或空心碳球的一种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S2所述超声搅拌的时间为1～30min。
4.根据权利要求1所述的一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S4所述冷却的速率为1～20℃/min。
5.根据权利要求1所述的一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S4所述气体为氦气、氩气中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述气体为空气、氧气、二氧化碳中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种纳米碳化硼颗粒的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸中的一种。
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