專利名稱：一種制備碳化鋯陶瓷粉末的方法
技術領域：
本發明屬于陶瓷粉末制備技術領域，特別是提供了一種制備納米級碳化鋯陶瓷粉末的方法。
背景技術：
碳化鋯(ZrC)為難熔金屬碳化物，具有優良的熱傳導和電傳導性，其中電傳導能力和金屬相當。ZrC具有良好的耐輻射性能，是一種較好的替代傳統包覆燃料顆粒SiC涂層的材料。另外，ZrC還適用于發射器外殼涂層、核燃料顆粒涂層、熱光電輻射器涂層以及超高溫材料等許多領域。高質量的粉末原料是獲得高性能產品的先決條件，要制備性能優異的&C陶瓷材料，首先需要制備出高純度、細粒度、燒結性能良好的ZrC粉末。目前，制備ZrC粉末的方法主要有電弧爐碳熱還原法、自蔓延高溫合成法(SHS)、溶膠-凝膠法、激光氣相反應法、鈉還原法、高能球磨法等。其中碳熱還原法是較經典的一種，與其他方法相比，該方法制備的 ZrC粉末純度高，粉末分散性好，形貌、粒度可控，燒結性能好；并且，碳熱還原法已是目前工業制備ZrC粉末最重要的方法，該方法適宜規模化生產，并在生產中得到了廣泛應用。傳統碳熱還原法制備ZrC陶瓷粉末通常采用鋯英砂(ZrSiO4)或者斜鋯石(ZrO2) 為前驅體在電弧爐中被碳黑直接還原碳化生成ZrC粉末。由于前驅體和炭黑兩者存在較大的比重和極性差異，二者很難混合均勻，容易造成反應不完全，且合成的原始粉末平均粒徑大；另外，高的反應溫度對爐體損壞嚴重；且反應時間長、能量消耗大、生產能力低、成本高。因此，該方法有待進一步改善。
發明內容
本發明目的在于提供一種碳熱還原法制備碳化鋯陶瓷粉末的新方法，解決傳統碳熱還原法直接以鋯英砂(ZrSiO4)或斜鋯石(ZrO2)陶瓷粉末和碳黑為原料時引起的混料不均、反應溫度高、反應時間長、成本高等問題。一種制備碳化鋯陶瓷粉末的方法，其特征在于通過改善原料混合方法，使粒度更小的亞微粒子直接接觸反應，提高前驅物的反應活性，有利于使前驅物在較低溫度條件下合成高純度、細粒度的陶瓷粉末。本發明是通過以下步驟實現的
1.原料及配比所采用的鋯源為硝酸鋯[Zr(NO3)4]或氧氯化鋯(ZrOCl2)；碳源為葡萄糖；添加劑為尿素、硝酸或硝酸銨。鋯源和碳源按照摩爾比& :C = 1 (5 15)的配比；+5 價的氮元素與_ 3價的氮元素按照摩爾比N+5 :N_3 = 1 (0. 1 10)的配比。2.前驅物的制備首先將硝酸鋯或氧氯化鋯、葡萄糖，及尿素與硝酸或硝酸銨中的一種或二種混合物溶于去離子水中，得到均勻混合溶液，再將混合溶液在150 600°C溫度下加熱，混合溶液發生反應后得到前驅物。3.前驅物的預處理將所得的前驅物粉碎后，在500 800°C的空氣氣氛下預處理0 5 h，得到合適的鋯碳比。4.前驅物的碳熱還原反應。將步驟3得到的前驅物在1300 1600°C的流動氬氣氣氛中碳熱還原廣20h，氬氣流量為1 101/min。反應產物經后續處理，得到碳化鋯粉末。本發明的優點在于
1.前驅物中鋯源和碳源粒度細小、混合均勻，反應活性好，能大大降低碳熱還原反應溫度，提高反應速率，制備出分散性能良好的納米級碳化鋯陶瓷粉末。2.原材料來源廣泛，價格低廉，生產成本低；制備的碳化鋯納米粉性能穩定，生產工藝簡單，可實現大批量生產。
具體實施例方式實施例1
稱取葡萄糖0. Imol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于300°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在500°C的空氣中處理 5h。將所得物質在1400°C、氬氣流量為31/min的條件下反應8h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例2:
稱取葡萄糖0. 2mol，氧氯化鋯0. Imol，尿素0. lmol，硝酸0. 2mol，硝酸銨0. 02mol。將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在600°C 的空氣中處理2h。將所得物質在1500°C、氬氣流量為31/min的條件下反應5h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例3:
稱取葡萄糖0. 3mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. 05molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于300°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在700°C的空氣中處理 0.5h。將所得物質在1500°C、氬氣流量為31/min的條件下反應8h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例4:
稱取葡萄糖0. Imol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于500°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在700°C的空氣中處理 0.5h。將所得物質在1400°C、氬氣流量為31/min的條件下反應12h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例5:
稱取葡萄糖0. 15mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸銨0. 05molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于200°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在600°C的空氣中處理 lh。將所得物質在1600°C、氬氣流量為31/min的條件下反應2h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例6:
稱取葡萄糖0. Imol，氧氯化鋯0. lmol，尿素0. 2mol，硝酸0. 6mol，硝酸銨0. 02mol。將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在600°C 的空氣中處理0. 5h。將所得物質在1400°C、氬氣流量為21/min的條件下反應10h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例7:
稱取葡萄糖0. 2mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. Imol0將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在500°C的空氣中處理 4h。將所得物質在1300°C、氬氣流量為31/min的條件下反應10h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例8
稱取葡萄糖0. Imol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于600°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在600°C的空氣中處理 0.2h。將所得物質在1600°C、氬氣流量為31/min的條件下反應5h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例9:
稱取葡萄糖0. 2mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 5mol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在500°C的空氣中處理 4h。將所得物質在1500°C、氬氣流量為31/min的條件下反應10h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例10
稱取葡萄糖0. 2mol，氧氯化鋯0. Imol，尿素0. 4mol，硝酸0. 5mol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于500°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在500°C 的空氣中處理3h。將所得物質在1600°C、氬氣流量為31/min的條件下反應6h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例11
稱取葡萄糖0. 3mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. Imol，硝酸銨0. Olmol。將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于200°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在600°C的空氣中處理 lh。將所得物質在1400°C、氬氣流量為61/min的條件下反應15h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例12
稱取葡萄糖0. 2mol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 3mol，硝酸銨0. 06molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于600°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在600°C的空氣中處理 0.5h。將所得物質在1500°C、氬氣流量為11/min的條件下反應12h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例13
稱取葡萄糖0. Imol，氧氯化鋯0. lmol，尿素0. 2mol，硝酸0. 5mol，硝酸銨0. 03mol。將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于150°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在700°C 的空氣中處理lh。將所得物質在1500°C、氬氣流量為21/min的條件下反應8h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。實施例14
稱取葡萄糖0. Imol，硝酸鋯0. Imol，尿素0. 2mol，硝酸銨0. 02molo將上述各種水溶性原料溶于去離子水中得到混合溶液。將混合溶液置于400°C的可控溫電爐上加熱，溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后得到前驅物。將前驅物粉碎后在800°C的空氣中處理 0.5h。將所得物質在1300°C、氬氣流量為31/min的條件下反應20h，得到反應產物。反應產物經后續處理得到碳化鋯粉末。
權利要求
1. 一種制備碳化鋯陶瓷粉末的方法，其特征在于通過改善原料混合方法，使粒度更小的亞微粒子直接接觸反應，提高前驅物的反應活性，有利于使前驅物在較低溫度條件下合成高純度、細粒度的陶瓷粉末；具體工藝為a.原料及配比所采用的鋯源為硝酸鋯或氧氯化鋯；碳源為葡萄糖；添加劑為尿素、 硝酸銨或硝酸；鋯源和碳源按照摩爾比為& :C = 1 (5 18)的配比；+5價的氮元素與_ 3 價的氮元素按照摩爾比為礦5 =N-3 = 1 :(0. 1 10)的配比；b.前驅物的制備首先將硝酸鋯或氧氯化鋯、葡萄糖，及尿素與硝酸或硝酸銨中的一種或二種混合物溶于去離子水中，得到均勻混合溶液，再將混合溶液在150 600°C溫度下加熱，混合溶液發生反應后得到前驅物；c.將前驅物粉碎后在500 800°C的空氣中處理0 5h，得到合適的鋯碳比；d.前驅物的碳熱還原反應將步驟c得到的前驅物在1300 1600°C的流動氬氣氣氛中碳熱還原1 20h，氬氣的流量為1 101/min ；碳熱還原反應產物經后續處理，得到納米級碳化鋯陶瓷粉末。
全文摘要
一種制備碳化鋯陶瓷粉末的方法，屬于陶瓷粉末制備領域。通過改善原料混合方法，使粒度更小的亞微粒子直接接觸反應，提高前驅物的反應活性，有利于使前驅物在較低溫度條件下合成高純度、細粒度的陶瓷粉末；鋯源為硝酸鋯或氧氯化鋯；碳源為葡萄糖；添加劑為尿素、硝酸銨、硝酸。鋯源和碳源的摩爾比為ZrC＝1(5～18)的配比；+5價的氮元素與–3價的氮元素摩爾比為N+5N-3＝1(0.1～10)。本發明前驅物中鋯源和碳源粒度細小、混合均勻，反應活性好，能降低碳熱還原反應溫度，提高反應速率，制備出分散性能良好的納米級碳化鋯陶瓷粉末；此外，原材料來源廣泛，價格低廉，生產成本低，制備的碳化鋯納米粉性能穩定，生產工藝簡單，可實現大批量生產。
文檔編號C04B35/626GK102515164SQ201110389769
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月30日 優先權日2011年11月30日
發明者儲愛民, 曲選輝, 秦明禮, 賈寶瑞, 魯慧峰 申請人:北京科技大學