專利名稱:一種富<sup>10</sup>B碳化硼粉體及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種富ltlB碳化硼粉體，屬于防護材料技術領域：
。
技術背景
碳化硼具有較高的中子吸收能力，其中子俘獲截面高，俘獲能譜寬，是用于核反應堆的重要材料。利用碳化硼的中子吸收功能可制成芯棒或芯塊對核反應堆的反應速度進行控制；制成復合材料或板、片對反應堆外部進行屏蔽，吸收放射性物質。碳化硼材料的中子吸收性能主要依靠碳化硼中ltlB的含量。硼有兩種同位素，分別為"B和、。在自然界存在的天然硼化合物中kiB的豐度為18% 19. 5%，其余為"B。目前利用化學分離法，可得到 ltlB豐度在40%以上的硼酸。豐度是本領域的規范用語，其定義是以原子百分數表示的地殼中某種元素各同位素的相對含量。
碳化硼有多種化合物形式，其中B4C化合物具有穩定的結構和高的硼含量。高B4C 相含量的極細碳化硼粉是制備碳化硼制件的前提，但是工業上制備化學計量的B4C粉還有一定的難度。電孤爐硼酐碳熱還原法是工業上制備碳化硼粉的常用方法，但由于爐區溫差大，成分難以保證；氣相沉積法的反應區條件可以被精確控制，可制得純度高的納米B4C粉末，但原料昂貴，生產率較低。自蔓延鎂熱法具有反應溫度低、反應迅速等優點，但存在MgO 難以徹底洗凈的問題。目前，大規模制取優質碳化硼粉的主要方法還是碳管爐碳熱還原法。 然而，用這種方法制得的碳化硼粉，粒度較大，需要進行后期的破碎處理工序，大大增加了生產成本。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種富、碳化硼粉體及其制備方法，該富、碳化硼粉體中、的豐度為40-96%。
術語解釋
10B豐度本發明中、的豐度是指終產品碳化硼粉體、的相對含量，％的單位是原子數百分比，直接用“ ％ ”表示。
中位粒徑是指粉體材料的累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑，用d5(l 表不。
本發明富ltlB碳化硼粉體，由以下質量份的原料組分制得
10B豐度40 96%的硼酸粉體75 85份，碳粉15 25份；
所述碳化硼粉體中，以碳化硼粉體質量為基數，的含量97 98.6%，化03含量小于0. 01 1%，殘量碳含量1 2% ；碳化硼粉體的中位粒徑d5(l彡3. 5 μ m,10B豐度為 40 96%。
制備碳化硼粉體所用的原料為1 豐度40 96%的硼酸(簡稱富kiB硼酸)，純度大于98%，中位粒徑d5Q < 300 μ m ；碳粉純度大于99%，中位粒徑d5(1為1_2 μ m。
本發明的富kiB的碳化硼粉體的制備方法，步驟如下[0013]1、按質量份，將kiB豐度40 96%的的硼酸粉體75 85份、碳粉15 25份以無水乙醇為介質，球磨混合，真空條件下烘干，得混合粉末。
2、將上述混合粉末放入氧化鋁坩堝中，在600 800°C溫度下煅燒，煅燒時間為 60 80分鐘。
3、將煅燒后的混合粉末磨碎，加入到石墨模具中，放到石墨爐中，在氬氣或真空中進行高溫碳化，碳化溫度為1700 1850°C，碳化保溫時間20 30分鐘，自然冷卻，既得。
優選的，上述步驟3煅燒后的混合粉末磨碎至粉體粒度為20-40 μ m。
本發明的富kiB的碳化硼粉體是用于核反應堆的防護和核放射防護衣的理想陶瓷材料。
與現有方法相比，本發明的技術特點及優良效果如下
1.本發明碳化硼粉體的結晶度好，純度高，粉體中位粒徑d5(l< 3.5 μ m，在制備過程中原料kiB的豐度未降低。本發明的富kiB的碳化硼粉體是用于中子防護和屏蔽，控制核反應堆速度的理想陶瓷材料。
2、本發明采用先低溫煅燒(600 800°C )保證硼酸的充分分解以及原料間的充分混合，再進行保護氣氛下的高溫碳化(1700 1850°C )，促進了反應物之間的充分反應， 保證了所制備的碳化硼粉體的高純度、高B4C結晶度的特點，其純度> 97%，B4C的結晶度> 98%。
3、本發明利用富ltlB硼酸與d5(l < 2μπι的超細碳粉，通過低溫煅燒、保護氣氛下的高溫碳化還原反應，使所制備的碳化硼粉體具有較細的粒度，其d5(l < 3. 5 μ m。與現有技術相比，所得到的碳化硼粉體粒度小，無需進一步粉碎，適用于制備碳化硼陶瓷及相關復合材料。
4、本發明在制備富ltlB碳化硼粉體時采用的相應硼10豐度的富ltlB硼酸與碳粉，在燒結過程中未添加其他含硼助劑，保證了反應物碳化硼中的ltlB豐度不降低。
5、本發明具有所用原料種類少、制備工藝簡單、易于實現工業化生產的特點。
圖1是實施例1的產品X射線衍射圖(XRD)，由圖可見制備所得的到的粉體為B4C 相，無其他雜質成分，并具有較好的結晶度。
圖2是實施例2的產品X射線衍射圖(XRD)，由圖可見制備所得的到的粉體為B4C 相，無其他雜質成分，并具有較好的結晶度。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不限于此。實施例中所用原料均為市購產品，富kiB硼酸為大連博恩坦科技有限公司產品。
實施例中所得產品的性能測定方法如下
①通過常規的X射線衍射圖(XRD)測試所得碳化硼粉體的晶相，并計算其純度、粒度。
②、豐度采用電感耦合等離子體質譜法測定、的豐度。
實施例1 [0031]制備富kiB碳化硼陶瓷粉體的原料組分如下1 豐度為40%的富kiB硼酸粉體79 份，碳粉21份，均為質量份。所述硼酸粉體的純度>98%，(15(|<30(^111。所述碳粉的純度 >99%, d50l-2ymo均為市售產品。
制備方法步驟如下
1、按上述質量份，將硼酸粉體、碳粉以無水乙醇為介質，球磨混合，真空條件下烘干，制備混合粉末。
2、將上述混合粉末放入氧化鋁坩堝中進行煅燒，煅燒溫度為700°C，煅燒時間為 60mino
3、將上述煅燒后的粉體球磨至粉體粒度為25-35 μ m，將粉體裝進石墨模具中，放到高溫爐中進行高溫碳化，溫度為1700°C，以氬氣為保護性氣體，保溫時間為25分鐘，自然冷卻，得到碳化硼細粉。
所得產品性能如下主晶相為B4C相，純度為97%, 10B豐度為40%，d50 = 3 μ m。如圖1所示。
實施例2
10B豐度為68%的富硼10硼酸粉體82份，碳粉18份，均為質量份。所述硼酸粉體的純度> 98%，d50 < 300 μ m。所述碳粉的純度> 99%，(15(11-2μπι。
制備方法步驟如下
1、按上述質量份，將硼酸粉體、碳粉以無水乙醇為介質，球磨混合，真空條件下烘干，制備混合粉末。
2、將上述混合粉末放入氧化鋁坩堝中進行煅燒，煅燒溫度為750°C，煅燒時間為 70mino
3、將上述煅燒后的粉體球磨至粉體粒度為觀-38 μ m左右，將粉體裝進石墨模具中，放到高溫爐中進行高溫碳化，溫度為1750°C，以氬氣為保護性氣體，保溫時間為30分鐘，自然冷卻，得到碳化硼細粉。
所得產品性能如下主晶相為B4C相，純度為98%, 10B豐度68%，d50 = 2. 5 μ m。如圖2所示。
實施例3
10B豐度為90%的富硼10硼酸粉體85份，碳粉15份，均為質量份。所述硼酸粉體的純度> 98%，d50 < 300 μ m。所述碳粉的純度> 99%，(15(11-2μπι。
制備方法步驟如下
1、按上述質量份，將硼酸粉體、碳粉以無水乙醇為介質，球磨混合，真空條件下烘干，制備混合粉末。
2、將上述混合粉末放入氧化鋁坩堝中進行煅燒，煅燒溫度為800°C，煅燒時間為 80mino
3、將上述煅燒后的粉體球磨至粉體粒度為30 μ m,將粉體裝進石墨模具中，放到高溫爐中在真空氣氛下進行高溫碳化，溫度為1800°C，保溫時間為30分鐘，自然冷卻，得到碳化硼細粉。
所得產品性能如下主晶相為B4C相，純度為98%, 10B豐度90%, d50 = 2. 5 μ m0
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權利要求
1. 一種富kiB的碳化硼粉體的制備方法，所用的原料為1 豐度40 96%的硼酸，純度大于98%，中位粒徑d5Q < 300 μ m ；碳粉純度大于99%，中位粒徑d5(1為1_2 μ m ；步驟如下(1)按質量份，將、豐度40 96%的硼酸粉體75 85份、碳粉15 25份以無水乙醇為介質，球磨混合，真空條件下烘干，得混合粉末；(2)將上述混合粉末放入氧化鋁坩堝中，在600 800°C下煅燒，煅燒時間為60 80 分鐘；(3)將煅燒后的混合粉末磨碎至粉體粒度為20-40μπι，加入到石墨模具中，放到石墨爐中，在氬氣或真空中進行高溫碳化，碳化溫度為1700 1850°C，碳化保溫時間20 30分鐘，自然冷卻，既得；所制備的碳化硼粉體中，以碳化硼粉體質量為基數，的含量97 98.6%，化03含量小于0. 01 1%，殘量碳含量1 2% ；碳化硼粉體的中位粒徑d5(l彡3. 5 μ m,10B豐度為 40 96%。
專利摘要
本發明涉及一種富10B碳化硼粉體及其制備方法。將10B豐度40～96％的的硼酸粉體75～85份與碳粉15～25份球磨混合，在600～800℃煅燒；將煅燒后的粉體磨細，放在石墨模具中在氬氣或真空中、1700～1850℃進行碳化，得富10B碳化硼粉體，其中B4C的含量大于97％，B2O3含量小于1％，殘量碳含量小于2％；碳化硼粉體的中位粒徑d50≤3.5μm，10B豐度為40～96％。本發明的富10B碳化硼粉體具有純度高、B4C結晶度高、粉體粒度小以及制備過程中10B豐度不變的特點，是用于航空飛行器防護和防彈衣的理想陶瓷材料。
文檔編號C04B35/563GKCN101746756 B發布類型授權 專利申請號CN 200910231496
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月15日
發明者張玉軍, 朱寶鑫, 李愛菊, 趙東亮, 趙林, 龔紅宇 申請人:山東大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (3),