CN103950946B - 一种硼化铌纳米粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硼化铌纳米粉体的制备方法，属于陶瓷粉体制备技术领域。该方法首先在熔融盐环境中以单质硼还原五氧化二铌，然后通过用热水浸润溶解熔盐及反应产生的三氧化二硼得到纳米硼化铌粉体。本发明具有制备工艺简单，成本低廉、合成温度低(800～1000℃)，合成时间短(1～4h)，合成粉体纯度高，粒径小等特点。本发明所得到的硼化铌纳米粉体可用于制备超高温陶瓷、耐磨材料和超导材料。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷粉体制备技术领域，具体涉及一种硼化铌(NbB2)纳米粉体的制备方法，其可用于制备超高温陶瓷、耐磨材料和超导材料。
背景技术
NbB2具有熔点高、硬度大、导电导热性能好、可抵抗熔融金属侵蚀、具有超导性等特点，可用于制作超高温结构材料和超导材料，在超高温、金属冶炼等极限环境具有重要的应用。
纳米NbB2由于粉体颗粒尺寸小，比微米NbB2粉体具有更高的反应活性。使用纳米NbB2粉体可有效降低陶瓷材料的烧结温度，提高陶瓷的致密度，进而提高陶瓷材料的性能。另外，作为增强相，纳米粉体比微米粉体具有更强的增韧性。因此合成纳米NbB2粉体具有很大的实用价值。
目前，NbB2粉体的合成方法主要有以下四种：(1)直接反应法：原料可采用金属单质Nb和单质B，也可采用NbCl5和NaBH4，该法合成粉末纯度高，但原料昂贵，反应过程激烈，不易控制，所得粉体粒径分布不均匀；(2)机械合金法：原料为金属单质Nb和单质B，该法工艺简单，但耗时长，原料昂贵；(3)还原法：以还原剂(B或B4C/或B4C+C或B2O3+C)在高温下还原Nb2O5，该法所得粉体粒径分布均匀，但合成温度高，合成粉体粒径较大。如唐竹兴等人(中国发明专利申请号：201110136047.7)采用Nb2O5，B4C，B2O3和酚醛树脂为原料合成了NbB2粉体，其合成温度为1350～1900℃，合成时间6～8h。
从以上分析可知，目前NbB2粉体的制备方法普遍存在一些不足，极大地限制了NbB2粉体的应用。因此，寻求一种工艺简单，成本低廉的NbB2纳米粉体的制备方法具有非常重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种简单有效、低温制备NbB2纳米粉体的方法。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的，包括如下步骤：
(1)首先将铌源、单质硼粉和熔盐按比例进行配比，并放入球磨机中干磨混合，具体是：将五氧化二铌与单质硼粉按摩尔比为3：22的比例进行配比混合，然后加入质量为上述混合物1～20倍的熔盐进行混合；所述熔盐为氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化锂中的一种或几种混合；
(2)将步骤(1)得到的混合粉体放入刚玉坩埚中，在氩气保护下于800～1000℃进行热处理1～4h后自然冷却到室温，得到NbB2、B2O3和熔盐混合物；
(3)将步骤(2)得到的混合物放入去离子水中，加热至60～90℃，通过搅拌溶解反应生成的B2O3及熔盐，然后通过过滤分离、水洗、醇洗、干燥等工艺即可得到纳米NbB2粉体。
作为一种优化，所述步骤(1)中的熔盐为NaCl与KCl按摩尔比1：1进行配比得到的混合物，该熔盐的质量为Cr2O3与B粉总质量的10倍；所述步骤(2)热处理温度为1000℃，热处理时间为1h；所述步骤(3)去离子水加热至80℃。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果。
(1)本发明采用的工艺简单，无需成型过程，适合规模化生产。
(2)本发明将传统的硼热还原法和熔盐法有机地结合了起来。单质B还原Nb2O5的反应方程式为3Nb2O5+22B＝6NbB2+5B2O3。由于固相物质扩散速率慢，原料粉体的混合不均匀会导致固相反应不完全。在传统硼热还原法中，为使Nb2O5反应完全，B一般会过量。另外，为去除残余的B，必须升高温度，让过量的B与B2O3反应生成气相B2O2，最终获得纯相NbB2。因此，在传统硼热还原法中，Nb2O5与B的摩尔比为1：9，相应反应方程式为2Nb2O5+18B＝4NbB2+5B2O2，反应温度高达1600℃。在本发明中，熔盐的加入给固相反应物提供了一个液相环境，加速了物质的扩散，因此无需B过量就可完全消耗Nb2O5。在本发明中，当Nb2O5与B的摩尔比为3：22时就可获得NbB2纯相，反应生成的B2O3可通过热水浸润的方法溶出。相比传统的硼热还原法，B原料成本降低了18.5％。另外，熔盐的引入显著降低了反应温度，缩短了反应时间。
(3)在本发明中，一方面由于合成温度仅为800～1000℃，另一方面熔盐对所生成NbB2颗粒有一定的阻隔作用，晶粒长大受到抑制，所制备的NbB2粉体粒径分布均匀，平均粒径小于100nm。
附图说明
图1为实施例1制得的纳米NbB2的X射线衍射(XRD)图谱。
图2为实施例1制得的纳米NbB2的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术内容，以下结合附图和实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
称取0.580g的Nb2O5，0.173g的单质B粉，3.348g的NaCl，4.271g的KCl，以ZrO2球为球磨介质，在行星式球磨机上混合1h；再将混合粉体放入刚玉坩埚内，放入管式炉中，在Ar气保护下加热至1000℃并保温1h，自然冷却到室温。将上述混合物浸入去离子水中，加热至80℃并搅拌0.5h，真空抽滤分离得到沉淀物。将沉淀物用80℃去离子水洗涤两次后用乙醇洗涤一次，60℃干燥8h后得到纳米NbB2粉体。
图1为本实施例所制备的NbB2粉体的XRD图谱，该图谱表明，所制备的NbB2粉体为纯相，未有其它杂质相。
图2本实施例所制备的NbB2粉体的SEM图谱，图谱表明，所制备的NbB2粉体的颗粒尺寸均匀，平均粒径在100nm以下。
比表面积测试表明，本实施例所制备NbB2粉体的比表面积为27.09m2/g，对应粉体粒径为32nm。
实施例2
称取0.580g的Nb2O5，0.173g的单质B粉，3.766g的NaCl，以ZrO2球为球磨介质，在行星式球磨机上混合1h；再将混合粉体放入刚玉坩埚内，放入管式炉中，在Ar气保护下加热至900℃并保温2h，自然冷却到室温。将上述混合物浸入去离子水中，加热至70℃并搅拌0.5h，真空抽滤分离得到沉淀物。将沉淀物用70℃去离子水洗涤两次后用乙醇洗涤一次，60℃干燥8h后得到纳米NbB2粉体。
实施例3
称取0.580g的Nb2O5，0.173g的单质B粉，0.753g的KCl，以ZrO2球为球磨介质，在行星式球磨机上混合1h；再将混合粉体放入刚玉坩埚内，放入管式炉中，在Ar气保护下加热至800℃并保温4h，自然冷却到室温。将上述混合物浸入去离子水中，加热至60℃并搅拌0.5h，真空抽滤分离得到沉淀物。将沉淀物用60℃去离子水洗涤两次后用乙醇洗涤一次，60℃干燥8h后得到纳米NbB2粉体。
实施例4
称取0.580g的Nb2O5，0.173g的单质B粉，15.066g的LiCl，以ZrO2球为球磨介质，在行星式球磨机上混合1h；再将混合粉体放入刚玉坩埚内，放入管式炉中，在Ar气保护下加热至800℃并保温2.5h，自然冷却到室温。将上述混合物浸入去离子水中，加热至90℃并搅拌0.5h，真空抽滤分离得到沉淀物。将沉淀物用90℃去离子水洗涤两次后用乙醇洗涤一次，60℃干燥8h后得到纳米NbB2粉体。
实施例5
称取0.580g的Nb2O5，0.173g的单质B粉，7.53g的MgCl2，以ZrO2球为球磨介质，在行星式球磨机上混合1h；再将混合粉体放入刚玉坩埚内，放入管式炉中，在Ar气保护下加热至900℃并保温1.5h，自然冷却到室温。将上述混合物浸入去离子水中，加热至70℃并搅拌0.5h，真空抽滤分离得到沉淀物。将沉淀物用70℃去离子水洗涤两次后用乙醇洗涤一次，60℃干燥8h后得到纳米NbB2粉体。
Claims (2)
1.一种硼化铌纳米粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将五氧化二铌与单质硼粉按摩尔比为3：22的比例进行配比混合，然后加入质量为上述混合物1～20倍的熔盐进行混合；所述熔盐为氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化锂中的一种或几种混合；
(2)将步骤(1)得到的混合粉体放入坩埚中，在氩气保护下于800～1000℃进行热处理1～4h后自然冷却到室温，得到NbB2、B2O3和熔盐混合物；
(3)将步骤(2)得到的混合物放入去离子水中，加热至60～90℃，通过搅拌溶解反应生成的B2O3及熔盐，然后通过过滤分离、水洗、醇洗、干燥后即可得到纳米NbB2粉体。
2.如权利要求1所述的硼化铌纳米粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的熔盐为NaCl与KCl按摩尔比1：1进行配比得到的混合物，该熔盐的质量为Nb2O5与B粉总质量的10倍；所述步骤(2)热处理温度为1000℃，热处理时间为1h；所述步骤(3)去离子水加热至80℃。
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