一種合成c-BN 專用的h-BN 粉體及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種合成c?BN專用的h?BN粉體及其制備方法。該h?BN粉體是由以下質量份的原料制備的混合原料，經高溫煅燒制備而成：三聚氰胺100份，硼酸140?180份，鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽或硝酸鹽中的兩種或兩種以上成分的混合物作為礦化劑，加入量5?35份。本發明制備的h?BN粉體產率高；制備過程中所加入的礦化劑與氮元素反應生成如Li3N、Ca3N2、Sr3N2、Ba3N2等在六方氮化硼粉末中均勻分布并充當觸媒，更有利于促進六方氮化硼向立方氮化硼的轉變；在合成的h?BN粉體中加入納米炭黑二次煅燒，消除h?BN粉體中殘留的氧元素，提高了六方氮化硼向立方氮化硼的轉化的產率及所得立方氮化硼的性能。
【專利說明】
一種合成c-BN專用的h-BN粉體及其制備方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種合成C-BN專用的h-BN粉體及其制備方法，屬于無機非金屬材料領域。
【背景技術】
[0002]立方氮化硼(c-BN)是繼人造金剛石后出現的又一種新型高新技術產品，具有很高的硬度、熱穩定性和化學惰性，以及良好的透紅外性和較寬的禁帶寬度等優異性能。立方氮化硼的硬度僅次于金鋼石，但熱穩定性遠高于金鋼石，對鐵系金屬元素有較好的化學穩定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產率，且有利于嚴格控制工件的形狀和尺寸精度，提高工件的磨削質量，保持工件的表面完整性，因而提高了零件的疲勞強度，延長了使用壽命，增加了可靠性，因而在機械加工領域具有廣闊的應用。
[0003]立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的，常用的觸媒有堿金屬，如Li，其氮化物，如Li3N;堿土金屬，如Ca、Mg、Sr、Ba，其氮化物，如Ca3N2、Mg3N2、Sr3N2、Ba3N2等。制備過程為:將六方氮化硼粉末與觸媒均勻混合，為了提高生產效率并使觸媒與六方氮化硼粉末充分接觸，往往需要將上述混合粉末預壓得到具有較高密度的坯塊，然后裝入反應器內在高溫高壓下制備立方氮化硼錠塊，再將所得立方氮化硼錠塊經過破碎、提純和分離制備具有高純度的立方氮化硼晶粒。由上述工藝過程可知，若觸媒與六方氮化硼粉末未能均勻混合、接觸，將對立方氮化硼的反應速率、產率和性能產生不利影響。
[0004]在研究過程中還發現，六方氮化硼微粉中氧元素的存在會顯著降低立方氮化硼的產率和性能。
[0005]中國專利文獻CN2010102298924A公開了一種大結晶六方氮化硼生產方法，以水為介質，將硼酸與三聚氰胺進行反應，三聚氰胺與硼酸的摩爾比為1:1.8-2.3，然后過濾，烘干后將產物放入坩禍中置入高溫爐中加熱至800-20000C，保溫時間2-12小時，將上述得到的產物用稀酸進行酸洗，然后經過過濾、烘干得大結晶六方氮化硼粉末產品。還可以加入氯化鈉、碳酸鈣、碳酸鋇等結晶助劑來調整結晶形態。此種方法工藝簡單，生產成本較低，液相混合物料的方式，保證了物料的混合均勻度，通過高溫分解反應快速進行，減少了副反應的發生。但此種方法合成的六方氮化硼在制備立方氮化硼過程中同樣存在與觸媒混合不均勻的問題，并且會多少含有氧元素而降低立方氮化硼的產率和性能。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的不足，為了保證在合成立方氮化硼過程中觸媒與六方氮化硼粉末均勻混合、接觸，并進一步提高立方氮化硼的產率和性能，本發明提供一種合成c-BN專用的六方氣化硼(h_BN)粉體及其制備方法。
[0007]本發明所用三聚氰胺，硼酸，碳黑，鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽或硝酸鹽均為市售工業純原料。
[0008]本發明的技術方案如下:
[0009]一種合成c-BN專用的h-BN粉體，是由以下質量份的原料制備的混合原料，經高溫煅燒制備而成:三聚氰胺100份，硼酸140-180份，鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽或硝酸鹽中的兩種或兩種以上成分的混合物作為礦化劑，加入量5-35份。
[0010]根據本發明優選的，所述的合成C-BN專用的h-BN粉體，原料組分質量份如下:三聚氰胺100份，硼酸145-175份，鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽或硝酸鹽中的兩種或兩種以上成分的混合物10-30份。
[0011]根據本發明優選的，所述礦化劑為鋰、鈣、鍶、鋇的硝酸鹽與鋰、鈣、鍶、鋇的硝酸鹽的組合。
[0012]根據本發明優選的，所述礦化劑為鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽與鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽的組合。
[0013]—種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0014](I)原料混合
[0015]按配比稱取三聚氰胺、硼酸與礦化劑粉末，在常溫下混合，使各組分均勻混合；
[0016](2)烘干
[0017]將步驟(I)制得的混合粉末在200-250°C下保溫4_12小時，使混合粉末脫水固化，使各組分再次混合；
[0018](3)破碎混合
[0019]將步驟(2)制得的塊狀物質粉碎，使各組分再次混合；
[0020](4) —次煅燒
[0021 ] 將步驟(3)制得的粉末在1600-2100 °C下，氮氣氣氛，煅燒3_10小時，制得h_BN粉體；
[0022](5) 二次煅燒
[0023]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入納米炭黑，氮氣氣氛下，在500-900°C煅燒1-3小時，制備合成C-BN專用的h-BN粉體。
[0024]根據本發明優選的，步驟(2)中所述的烘干溫度為210-230°C，保溫時間為6-10小時。
[0025]根據本發明優選的，步驟(4)中所述的煅燒溫度為1750-1950°C，保溫時間為4-8小時。
[0026]根據本發明優選的，步驟(I)中常溫下混合15-45分鐘。
[0027]根據本發明優選的，步驟(5)中納米炭黑的加入量為0.2-1.5份。
[0028]有益效果
[0029]1、加入鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽或硝酸鹽中的兩種或兩種以上成分的混合物作為礦化劑，能夠促進三聚氰胺與硼酸的反應，提高產率；
[0030]2、加入的礦化劑與氮元素反應生成如Li3N、Ca3N2、Sr3N2、Ba3N2等可以成為使六方氮化硼在高溫高壓下轉化為立方氮化硼的觸媒。由于上述觸媒是在合成六方氮化硼粉末的過程中生成的，因而能夠在六方氮化硼粉末中均勻分布，更有利于促進六方氮化硼向立方氮化硼的轉變。
[0031]3、在合成的h-BN粉體中加入納米炭黑二次煅燒，消除h-BN粉體中殘留的氧元素， 提高六方氮化硼向立方氮化硼的轉化的產率及所得立方氮化硼的性能。
【附圖說明】
[0032]圖1是實施例1所得六方氮化硼粉體的掃描電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0033]下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明，但不限于此。
[0034]同時下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法;所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
[0035]實施例1:
[0036]—種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0037](I)原料混合
[0038]稱取100份三聚氰胺，155份硼酸，8份的碳酸鋰和7份的碳酸鈣，利用混色機，在常溫下混合30分鐘。
[0039](2)烘干
[0040]將步驟(I)制得的混合粉末放入不銹鋼托盤中，在烘箱中，220°C保溫8小時，得到混合物的硬塊。
[0041 ] (3)破碎混合
[0042]將步驟(2)制得的硬塊，利用粉碎機粉碎。
[0043](4) —次煅燒
[0044]將步驟(3)制得的粉末，裝入中頻感應爐中，氮氣氣氛下，在1750°C下煅燒6小時，制得含有Li3N和Ca3N2的h-BN粉體。
[0045](5) 二次煅燒
[0046]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入0.5份納米炭黑，氮氣氣氛下，在650°C煅燒2小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0047]由附圖1可以看出，所得h-BN粉體為片狀，形貌比較規則，結晶性好。
[0048]將所得粉末提供給用戶用于合成c-BN，產率可以達到58.6%。
[0049]實施例2:
[0050]—種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0051 ] (I)原料混合
[0052]稱取100份三聚氰胺，160份硼酸，8份的硝酸鋰和10硝酸鍶，利用混色機，在常溫下混合30分鐘。
[0053](2)烘干
[0054]將步驟(I)制得的混合粉末放入不銹鋼托盤中，在烘箱中，220°C保溫8小時，得到混合物的硬塊。
[0055](3)破碎混合
[0056]將步驟(2)制得的硬塊，利用粉碎機粉碎。
[0057](4) 一次煅燒
[0058]將步驟(3)制得的粉末，裝入中頻感應爐中，氮氣氣氛下，在1800°C下煅燒5小時，制得含有L i 3N和Sr3N2的h-BN粉體。
[0059](5) 二次煅燒
[0060]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入0.6份納米炭黑，氮氣氣氛下，在650°C煅燒2小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0061]將所得粉末提供給用戶用于合成c-BN，產率可以達到57.5%。
[0062]實施例3:
[0063]—種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0064](I)原料混合
[0065]稱取100份三聚氰胺，160份硼酸，13份的硝酸鈣，15份的硝酸鋇，利用混色機，在常溫下混合30分鐘。
[0066](2)烘干
[0067]將步驟(I)制得的混合粉末放入不銹鋼托盤中，在烘箱中，220°C保溫8小時，得到混合物的硬塊。
[0068](3)破碎混合
[0069]將步驟(2)制得的硬塊，利用粉碎機粉碎。
[0070](4) —次煅燒
[0071]將步驟(3)制得的粉末，裝入中頻感應爐中，氮氣氣氛下，在1750°C下煅燒6小時，制得含有Ca3N2和Ba3N2的合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0072](5) 二次煅燒
[0073]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入0.5份納米炭黑，氮氣氣氛下，在650°C煅燒2小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0074]將所得粉末提供給用戶用于合成c-BN，產率可以達到58.4%。
[0075]實施例4:
[0076]—種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0077](I)原料混合
[0078]稱取100份三聚氰胺，165份硼酸，3份的碳酸鍶和2份的碳酸鋇，利用混色機，在常溫下混合45分鐘。
[0079](2)烘干
[0080]將步驟(I)制得的混合粉末放入不銹鋼托盤中，在烘箱中，220°C保溫4小時，得到混合物的硬塊。
[0081 ] (3)破碎混合
[0082]將步驟(2)制得的硬塊，利用粉碎機粉碎。
[0083](4) —次煅燒
[0084]將步驟(3)制得的粉末，裝入中頻感應爐中，氮氣氣氛下，在1800°C下煅燒5小時，制得含有Sr3N2和Ba3N2的h-BN粉體。
[0085](5) 二次煅燒
[0086]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入0.4份納米炭黑，氮氣氣氛下，在650°C煅燒2小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0087]將所得粉末提供給用戶用于合成c-BN，產率可以達到56.5%。
[0088]實施例5:
[0089]—種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0090](I)原料混合
[0091]稱取100份三聚氰胺，165份硼酸，20份的硝酸鍶和15份的硝酸鋇，利用混色機，在常溫下混合15分鐘。
[0092](2)烘干
[0093]將步驟(I)制得的混合粉末放入不銹鋼托盤中，在烘箱中，230°C保溫9小時，得到混合物的硬塊。
[0094](3)破碎混合
[0095]將步驟(2)制得的硬塊，利用粉碎機粉碎。
[0096](4) —次煅燒
[0097]將步驟(3)制得的粉末，裝入中頻感應爐中，氮氣氣氛下，在1800°C下煅燒5小時，制得含有Sr3N2和Ba3N2的h-BN粉體。
[0098](5) 二次煅燒
[0099]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入1.5份納米炭黑，氮氣氣氛下，在600°C煅燒3小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0100]將所得粉末提供給用戶用于合成C-BN，產率可以達到58.5%。
[0101]實施例6:
[0102]—種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0103](I)原料混合
[0104]稱取100份三聚氰胺，170份硼酸，20份的硝酸鈣和10份的硝酸鋇，利用混色機，在常溫下混合25分鐘。
[0105](2)烘干
[0106]將步驟(I)制得的混合粉末放入不銹鋼托盤中，在烘箱中，230°C保溫8小時，得到混合物的硬塊。
[0107](3)破碎混合
[0108]將步驟(2)制得的硬塊，利用粉碎機粉碎。
[0109](4) —次煅燒
[0110]將步驟(3)制得的粉末，裝入中頻感應爐中，氮氣氣氛下，在1750°C下煅燒8小時，制得含有Ca3N2和Ba3N2的h-BN粉體。
[0111](5) 二次煅燒
[0112]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入0.6份納米炭黑，氮氣氣氛下，在700°C煅燒I小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0113]將所得粉末提供給用戶用于合成c-BN，產率可以達到59.0%。
[0114]實施例7:
[0115]—種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0116](I)原料混合
[0117]稱取100份三聚氰胺，145份硼酸，8份的碳酸鋰和7份的碳酸鈣，利用混色機，在常溫下混合30分鐘。
[0118](2)烘干
[0119]將步驟(I)制得的混合粉末放入不銹鋼托盤中，在烘箱中，200°C保溫8小時，得到混合物的硬塊。
[0120](3)破碎混合
[0121 ]將步驟(2)制得的硬塊，利用粉碎機粉碎。
[0122](4) 一次煅燒
[0123]將步驟(3)制得的粉末，裝入中頻感應爐中，氮氣氣氛下，在1600°C下煅燒6小時，制得含有Li3N和Ca3N2的h-BN粉體。
[0124](5) 二次煅燒
[0125]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入0.2份納米炭黑，氮氣氣氛下，在900°C煅燒2小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0126]將所得粉末提供給用戶用于合成c-BN，產率可以達到54.2%。
[0127]實施例8:
[0128]一種合成C-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0129](I)原料混合
[0130]稱取100份三聚氰胺，175份硼酸，8份的碳酸鋰和7份的碳酸鈣，利用混色機，在常溫下混合30分鐘。
[0131](2)烘干
[0132]將步驟(I)制得的混合粉末放入不銹鋼托盤中，在烘箱中，250°C保溫8小時，得到混合物的硬塊。
[0133](3)破碎混合
[0134]將步驟(2)制得的硬塊，利用粉碎機粉碎。
[0135](4) 一次煅燒
[0136]將步驟(3)制得的粉末，裝入中頻感應爐中，氮氣氣氛下，在2100°C下煅燒6小時，制得含有Li3N和Ca3N2的h-BN粉體。
[0137](5) 二次煅燒
[0138]在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入0.5份納米炭黑，氮氣氣氛下，在500°C煅燒3小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。
[0139]將所得粉末提供給用戶用于合成c-BN，產率可以達到56.8%。
[0140]對比例I
[0141]如實施例1所述，不同的是不添加碳酸鋰和碳酸鈣。
[0142]將所得粉末提供給用戶用于合成c-BN，產率為52.4%。
[0143]這表明，雖然在合成立方氮化硼的過程中加入了觸媒，由于觸媒的分散均勻性比直接在合成六方氮化硼時原位生成的觸媒差，因而產率降低。
[0144]對比例2
[0145]如實施例1所述，不同的是不加納米炭黑進行二次煅燒。
[0146]將所得粉末提供給用戶用于合成C-BN，產率為50.0%。
[0147]這表明，由于未加入炭黑進行二次煅燒，導致六方氮化硼粉體中的氧含量比較高，因而產率降低。
【主權項】
1.一種合成C-BN專用的h-BN粉體，其特征在于，是由以下質量份的原料制備的混合原料，經高溫煅燒制備而成:三聚氰胺100份，硼酸140-180份，鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽或硝酸鹽中的兩種或兩種以上成分的混合物作為礦化劑，加入量5-35份。2.根據權利要求1所述的一種合成c-BN專用的h-BN粉體，其特征在于，原料組分質量份如下:三聚氰胺100份，硼酸145-175份，鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽或硝酸鹽中的兩種或兩種以上成分的混合物10-30份。3.根據權利要求1所述的一種合成c-BN專用的h-BN粉體，其特征在于，所述礦化劑為鋰、鈣、鍶、鋇的硝酸鹽與鋰、鈣、鍶、鋇的硝酸鹽的組合。4.根據權利要求1所述的一種合成c-BN專用的h-BN粉體，其特征在于，所述礦化劑為鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽與鋰、鈣、鍶、鋇的碳酸鹽的組合。5.—種權利要求1所述的合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，包括步驟如下: (1)原料混合 按配比稱取三聚氰胺、硼酸與礦化劑粉末，在常溫下混合，使各組分均勻混合； (2)烘干 將步驟(I)制得的混合粉末在200-2500C下保溫4-12小時，使混合粉末脫水固化，使各組分再次混合； (3)破碎混合 將步驟(2)制得的塊狀物質粉碎，使各組分再次混合； (4)一次煅燒 將步驟(3)制得的粉末在1600-2100 °C下，氮氣氣氛，煅燒3-10小時，制得h_BN粉體； (5)二次煅燒 在每100份的由步驟(4)制得的h-BN粉體中加入納米炭黑，氮氣氣氛下，在500-900°C煅燒1-3小時，制備合成c-BN專用的h-BN粉體。6.根據權利要求5所述的一種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述的烘干溫度為210-230 0C，保溫時間為6-10小時。7.根據權利要求5所述的一種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述的煅燒溫度為1750-1950V，保溫時間為4_8小時。8.根據權利要求5所述的一種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，其特征在于，步驟(I)中常溫下混合15-45分鐘。9.根據權利要求5所述的一種合成c-BN專用的h-BN粉體的制備方法，其特征在于，步驟(5)中納米炭黑的加入量為0.2-1.5份。
【文檔編號】C01B21/064GK105967156SQ201610288929
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】張振昊, 張振鋒, 高鵬, 張玉軍, 譚砂礫, 亓效剛
【申請人】萊蕪亞賽陶瓷技術有限公司