本發(fā)明屬于技術領域，涉及一種ZrB₂的制備方法，具體涉及一種采用高溫真空燒結法制備ZrB₂陶瓷的方法。

背景技術：

ZrB₂陶瓷（zirconium diboride ceramics）是一種常見的超高溫陶瓷材料，ZrB₂陶瓷的熔點較高、硬度大、熱導率高、抗熱震性能良好、導電性能和中子控制能力強，除此之外ZrB₂陶瓷還有諸多其他良好的特性。因其具有各方面良好性能，所以被廣泛應用在各個領域，可以作為耐火材料、電極材料、中子吸收材料和刀具等其他材料。鑒于ZrB₂陶瓷具有諸多的優(yōu)良性能，因此國內(nèi)外學者對二硼化鋯陶瓷的制備方法的研究不斷開展。

ZrB₂陶瓷是超高溫陶瓷材料，它的特點是高熔點、高硬度和化學穩(wěn)定性，并表現(xiàn)出了良好的導電性與導熱性等性能，因而ZrB₂材料兼具有陶瓷與金屬兩種材料的特性，是當今發(fā)展最為關注的先進材料之一。

ZrB₂是離子鍵和共價鍵化合物，其高熔點、高強度、高硬度、優(yōu)良的導電率(且導電率溫度系數(shù)為正) 和低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能，被廣泛應用于航空、航天領域。而且，ZrB₂因化學穩(wěn)定性強，在阻燃、耐熱、耐腐蝕和輕質(zhì)等優(yōu)良的特殊性質(zhì)，可以作為較好的耐火材料。除此之外，由于B原子具有較高的中子吸收特性，ZrB₂材料還被應用于核電材料，ZrB₂薄膜作為核反應堆燃料芯塊的可燃中子毒物得以廣泛應用。

ZrB₂中存在Zr-Zr 金屬鍵，電阻率很低，是電子傳導導電機制，可用于觸點材料和電極材料，是金屬熱電偶的電極和高溫發(fā)熱元件的候選材料。

ZrB₂陶瓷具有極高的硬度，被應用與刀具和切削工具。此外，ZrB₂因具有很好的耐腐蝕性能，在抗腐蝕、抗氧化薄膜方面也應用得較多。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可以獲得致密的ZrB₂陶瓷的制備方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種ZrB₂陶瓷的制備方法，包括混料、成型與脫模、燒結與后處理三個步驟，具體實施步驟如下：

一、混料：將ZrO₂粉、B₄C粉和C粉按照摩爾比為2：(1.00～1.10)：(3.00~3.20)或ZrO₂粉、B₂O₃粉和C粉的摩爾比為1：(1.00～1.20)：(5.00~5.20)的比例放入球磨罐中進行充分混合，然后在真空爐中煅燒混合粉體，獲得ZrB₂粉體；

二、成型與脫模：在ZrB₂粉體中加入粘合劑，攪拌均勻后裝入模具中進行壓力成型，從模具中脫模，獲得素坯；

三、燒結與后處理：將素坯平放在高純氧化鋁陶瓷片上，然后一起放入真空燒結爐中燒結，隨爐冷卻，得到ZrB₂陶瓷。

作為一種優(yōu)選，所述混料過程中，三種原料的粒徑均小于10μm且三者粒徑不同，通過顆粒級配的方法，獲得最佳混合效果。

作為一種優(yōu)選，所述模具為壓力成型模具，壓力成型模具為全金屬材料，使用數(shù)控設備加工出設計所要求的模具。

作為一種優(yōu)選，所述粘結劑為PVA粘結劑，其添加量為ZrB₂粉體重量的1~5%。

作為一種優(yōu)選，所述壓力成型過程中，為了防止成型坯體粘結金屬模具上而使坯體開裂，在壓制坯體的上下方都放入與壓桿相同尺寸的紙片，起到隔離的作用，模具內(nèi)壁表面刷上硬脂酸、油酸等作為脫模劑，在壓力機的作用，壓力加壓到10~15MPa，并保壓5~10min，充分加壓。如果壓力過大，脫模時產(chǎn)生的彈性后效作用容易使坯體開裂。

作為一種優(yōu)選，所述素坯取出后，在室溫環(huán)境中保持20min，充分釋放成型后續(xù)的殘余壓力。

作為一種優(yōu)選，所述燒結的具體要求為：真空度為10~30Pa，根據(jù)反應燒結曲線進行燒結，即：1.5~2h從室溫升高到1200～1250℃，然后在1～1.5h升溫至1600～1650℃保溫1～1.5h。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、ZrB₂陶瓷采用真空燒結的方法，采用ZrO₂粉、B₄C（B₂O₃）粉和C粉，適當增加的B₄C（B₂O₃）粉和C粉摩爾比，由于B₄C（B₂O₃）粉和C粉容易在真空爐中氧化分解，因而提高B₄C（B₂O₃）粉和C粉摩爾比例，能夠更把握的獲得化學配比的ZrB₂粉體。這種方法簡單易行，粉體混合操作溫度為室溫，可以進行較精確的控制。

2、ZrB₂陶瓷的制備方法是炭熱還原法，本發(fā)明制備出的ZrB₂陶瓷制備容易操作，這樣有效地提高了產(chǎn)品率。

附圖說明

圖1為ZrB₂陶瓷制備工藝流程圖；

圖2為ZrB₂粉體和陶瓷的XRD衍射圖譜，(a)ZrB₂粉體，(b)ZrB₂陶瓷；

圖3為ZrB₂粉體SEM顯微形貌；

圖4為ZrB2陶瓷SEM斷口顯微形貌；

圖5為ZrB₂陶瓷實物照片。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。

實施例1：

如圖1所示，本實施例按照如下步驟制備ZrB₂陶瓷：

（1）混料：采用市售的ZrO₂、B₄C、C粉作為原材料，這三種原料的粒徑均小于10μm且三者粒徑不同，ZrO₂、B₄C、C粉的摩爾比為2：1：3。稱量完畢，將它們倒入球磨罐中，采用ZrO₂磨球進行研磨混合8h，達到均勻混合的效果。

混合后的粉體在真空爐中熱處理，將混合好的粉體裝入氧化鋁陶瓷杯中，放入真空燒結爐，加熱至1600℃保溫1h進行煅燒，以獲得ZrB₂粉體。

反應方程式如下：

2ZrO₂+B₄C+3C→2ZrB₂+4CO (1)

（2）模具制備：采用金屬作為模具材料，采用機械加工的方法制備一個單向壓力金屬模具。

（3）壓制：將煅燒好的ZrB₂粉體中加入1%粘合劑，攪拌均勻后放入金屬模具中，使用壓力機對模具加載，壓力加壓到10MPa，并保壓5min。

（4）燒結：從模具中脫模，獲得素坯，將制備好的素坯放置到氧化鋁平板上，然后將氧化鋁平板和素坯一起放入真空燒結爐中，關閉爐門，抽真空，將真空度抽至10~30Pa。開啟真空燒結爐加熱，溫度工藝曲線為：1.5h從室溫升高到1200℃，然后在1h升溫至1600℃保溫1h，然后2h降溫，方式為隨爐冷卻。

（5）后處理： 當爐溫降到室溫后，打開真空燒結爐，取出ZrB₂陶瓷。

由圖2可以看出，本實施例制備的ZrB₂粉體和陶瓷XRD衍射圖譜確定為純相，沒有其他物相衍射峰。由圖3可以看出，本實施例制備的ZrB₂粉體顆粒尺寸在1～5um范圍。由圖4可以看出，實施例制備的ZrB₂陶瓷斷口粒徑比較均勻，致密度較好；圖5是制備的ZrB₂陶瓷的圖片。

實施例2：

如圖1所示，本實施例按照如下步驟制備ZrB₂陶瓷：

（1）混料：采用市售的ZrO₂、B₂O₃、C粉作為原材料，這三種原料的粒徑均小于10μm且三者粒徑不同，ZrO₂、B₂O₃、C粉的摩爾比為1：1.10：5.00。稱量完畢，將它們倒入球磨罐中，采用ZrO₂磨球進行研磨混合8h，達到均勻混合的效果。

混合后的粉體在真空爐中熱處理，將混合好的粉體裝入氧化鋁陶瓷杯中，放入真空燒結爐，加熱至1600℃保溫1h進行煅燒，以獲得ZrB₂粉體。

反應方程式如下：

ZrO₂+B₂O₃+5C→ZrB₂+5CO (2)

（2）模具制備：采用金屬作為模具材料，采用機械加工的方法制備一個單向壓力金屬模具。

（3）壓制：將煅燒好的ZrB₂粉體中加入1%粘合劑，攪拌均勻后放入金屬模具中，使用壓力機對模具加載，壓力加壓到10MPa，并保壓5min。

（4）燒結：從模具中脫模，獲得素坯，將制備好的素坯放置到氧化鋁平板上，然后將氧化鋁平板和素坯一起放入真空燒結爐中，關閉爐門，抽真空，將真空度抽至10~30Pa。開啟真空燒結爐加熱，溫度工藝曲線為：1.5h從室溫升高到1200℃，然后在1h升溫至1600℃保溫1h，然后2h降溫，方式為隨爐冷卻。

（5）后處理：當爐溫降到室溫后，打開真空燒結爐，取出ZrB₂陶瓷。