專利名稱：自蔓延高溫還原合成法制備高純二硼化鈦陶瓷微粉的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種難熔化合物及其固相合成方法。
背景技術：
二硼化鈦陶瓷粉末是一類重要的新型工程陶瓷原料，其重要的物理化學性能包括高的熔點(＞3000℃)、高的硬度(＞30GPa)、高的化學穩(wěn)定性、高熱導率(120W/mK)，高模量(＞570GPa)、優(yōu)良的導電性。主要應用于硬質工具材料，復合材料添加劑，新型發(fā)熱元件(＞1800℃)、高溫惰性電極(＞1200℃)、高溫耐磨電極，高溫耐腐蝕電極、大規(guī)模集成電路用高強度引線框架材料等。但是高純TiB2原料高昂的價格限制了這類材料的大規(guī)模開發(fā)和應用。二硼化鈦陶瓷粉末的傳統(tǒng)合成工藝為將鈦或二氧化鈦與氧化硼或碳化硼以及碳的混合物置于真空的石墨管式爐內(nèi)，然后加熱至1800℃左右碳化還原，還原時間一般為1～12小時。該法的主要缺點生產(chǎn)裝置復雜、反應溫度高、時間長、能耗巨大，獲得的二硼化鈦晶粒粗大、含硼量低、產(chǎn)品純度差。中國專利CN105533A報道了基于活性炭為還原劑、五硼酸銨為硼源及二氧化鈦為鈦源的二硼化鈦陶瓷粉末炭熱還原合成方法，該方法須在1450-1700℃下保溫0.5小時以上，反應時間長且產(chǎn)品粒度粗大(10μm左右)。
自蔓延高溫合成技術(簡稱SHS技術)是利用化學反應放出的熱量使燃燒反應自發(fā)地進行下去，以獲得具有指定成分和結構燃燒產(chǎn)物的材料加工新技術。SHS技術與許多傳統(tǒng)材料制備技術相比具備如下優(yōu)勢過程簡單、工藝周期短；能耗少、明顯的節(jié)能效果；合成產(chǎn)品純度高；由于合成過程經(jīng)歷極大的溫度梯度，能獲得高燒結活性的合成產(chǎn)品。二硼化鈦陶瓷粉末是采用SHS技術較早合成的材料之一，Z.A.Munir于1988年報道了二硼化鈦粉末的元素合成方法，它是以高純硼粉與鈦粉或氫化鈦粉為原料制備的。這種工藝合成的粉末具有高的純度，但粉末粒度較大且有部分形成硬團聚體；另外由于采用的原料是單質元素，其制造成本高昂，無法工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對已有技術存在的缺陷，提出一種以氧化物原料為基礎的自蔓延高溫還原合成法來制備二硼化鈦陶瓷微粉的制備方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是將TiO2、B2O3和Mg粉末均勻混合并模壓成型，在常溫常壓下置于氬氣保護的自蔓延高溫合成裝置(國家實用新型專利ZL93216816.7)中，點火燃燒；燃燒產(chǎn)物經(jīng)破碎、酸洗后得到高純TiB2陶瓷微粉。
TiO2、B2O3粉末與金屬Mg粉末是主要的反應物料，按反應式，形成基本成分為TiB2和MgO的產(chǎn)物，Q是反應放熱。由于在上述反應體系中，TiO2、B2O3與金屬Mg發(fā)生還原反應的放熱量遠小于Ti、B元素合成的放熱量，燃燒溫度低于2200℃而且反應時間在數(shù)分鐘內(nèi)(一般為1～2分鐘)完成，這樣形成的產(chǎn)物晶粒細小并且不發(fā)生團聚、易于破碎。
本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程詳細敘述如下1.將TiO2、B2O3和Mg粉末均勻混合并模壓成型，在常溫常壓下置于氬氣保護的自蔓延高溫合成裝置(國家實用新型專利ZL93216816.7)中，點火燃燒，得到燃燒產(chǎn)物。
其中TiO2粉末粒徑應小于80μm，B2O3粉末粒徑應小于120μm，Mg粉末粒徑應小于200μm。
自蔓延高溫還原合成用的TiO2、B2O3、Mg粉末原料其配方按重量百分比為TiO2為27-29wt％，B2O3為26-28wt％、Mg為43-47wt％。
2.TiB2陶瓷微粉的提純、分離可按照如下工藝來實現(xiàn)燃燒產(chǎn)物經(jīng)球磨機破碎后過篩得到粒徑小于0.5mm的粉末；將粉末置于反應釜內(nèi)，在濃度為0.5～2.0mol/l的鹽酸或硫酸中于20～80℃溫度下酸洗1～10小時，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，即為高純二硼化鈦陶瓷微粉。
采用自蔓延高溫還原合成(SHRS)技術結合化學純化后合成高純TiB2陶瓷微粉，其成分為Ti67-69wt％，B29-32wt％，O≤0.75wt％，N≤0.1wt％，Mg≤0.15wt％，平均粒徑為5μm。
本發(fā)明的優(yōu)點在于比傳統(tǒng)碳熱還原TiB2陶瓷粉末的純度高、晶粒細小、工藝簡單、能耗和時耗??；同時與SHS單質合成TiB2陶瓷粉末相比，制造成本為其20％左右，而且晶粒尺寸為其1/10～1/4。
具體實施方案實例127克TiO2粉(≤80μm)，26克B2O3粉(≤120μm)，47克Mg粉(≤200μm)充分混合。混合好的試樣壓制成塊狀原坯，放入自蔓延高溫合成反應器中，在常溫常壓氬氣保護下，用鎢絲或電弧點燃試樣表面。燃燒波迅速蔓延，此時試樣燃燒溫度1800～2000℃，燃燒反應在1～2分鐘內(nèi)完成。待試樣完全冷卻后，將其置于球磨機中球磨2小時。所得粉末放入反應釜內(nèi)，加入10升濃度為1mol/l的鹽酸并不斷攪拌，于50℃下酸洗4小時后過濾、烘干。所獲微粉的成分是Ti68.2wt％，B30.1wt％，O0.5wt％，N0.1wt％，Mg0.1wt％，平均粒徑為4.7μm。
實例229克TiO2粉(≤80μm)，26克B2O3粉(≤120μm)，45克Mg粉(≤200μm)充分混合?；旌虾玫脑嚇訅褐瞥蓧K狀原坯，放入自蔓延高溫合成反應器中，在常溫常壓氬氣保護下，用鎢絲或電弧點燃試樣表面。燃燒波迅速蔓延，此時試樣燃燒溫度2000～2200℃，燃燒反應在1～2分鐘內(nèi)完成。待試樣完全冷卻后，將其置于球磨機中球磨2小時。所得粉末放入反應釜內(nèi)，加入20升濃度為0.5mol/l的硫酸并不斷攪拌，于50℃下酸洗6小時后過濾、烘干。所獲微粉的成分是Ti68.8wt％，B30.35wt％，O0.7wt％，N0.1wt％，Mg0.05wt％，平均粒徑為5.8μm。
實例329克TiO2粉(≤80μm)，28克B2O3粉(≤1200μm)，43克Mg粉(≤200μm)充分混合?；旌虾玫脑嚇訅褐瞥蓧K狀原坯，放入自蔓延高溫合成反應器中，在常溫常壓氬氣保護下，用鎢絲或電弧點燃試樣表面。燃燒波迅速蔓延，此時試樣燃燒溫度1700～1900℃，燃燒反應在1～2分鐘內(nèi)完成。待試樣完全冷卻后，將其置于球磨機中球磨2小時。所得粉末放入反應釜內(nèi)，加入10升濃度為1mol/l的鹽酸并不斷攪拌，于50℃下酸洗4小時后過濾、烘干。所獲微粉的成分是Ti67.87wt％，B31.3wt％，O0.6wt％，N0.1wt％，Mg0.13wt％，平均粒徑為4.1μm。
權利要求
1.自蔓延高溫還原合成法制備高純二硼化鈦陶瓷微粉的方法，其特征在于將TiO2、B2O3、Mg粉末均勻混合并模壓成型，在常溫常壓下置于氬氣保護的自蔓延高溫合成裝置中，點火燃燒，得到產(chǎn)物混合物；其中TiO2粉末粒徑應小于80μm，B2O3粉末粒徑應小于120μm，Mg粉末粒徑小于200μm；將產(chǎn)物混合物破碎，在濃度為0.5～2.0mol/l的鹽酸或硫酸中于20～80℃酸洗1～10小時，所獲產(chǎn)物經(jīng)過濾、烘干，即為高純二硼化鈦陶瓷微粉；這種微粉的成分是Ti67-69wt％，B29-32wt％，O≤0.75wt％，N≤0.1wt％，Mg≤0.15wt％，平均粒徑為5μm。
全文摘要
自蔓延高溫還原合成法制備高純二硼化鈦陶瓷微粉的方法,是采用活潑金屬還原劑和廉價的氧化物原料,通過強烈的放熱化學反應自發(fā)地合成高純TiB
文檔編號C04B35/65GK1341576SQ0112849
公開日2002年3月27日 申請日期2001年9月27日 優(yōu)先權日2001年9月27日
發(fā)明者傅正義, 王為民, 王皓 申請人:武漢理工大學