一種二硼化鎢製備方法與流程

2023-05-25 01:37:34

本發明涉及二硼化鎢技術領域，尤其涉及一種二硼化鎢製備方法。

背景技術：

W-B系化合物具有高熔點、高硬度、高電導率、耐磨損、耐高溫以及耐腐蝕性能，還兼具中子和γ射線綜合屏蔽性能，因而被廣泛應用在結構材料、耐磨材料、電極材料等領域。二硼化鎢(分子式為WB2)具有W-B系化合物的優良性能，未來應用前景廣闊。

事實上，W-B系的中間化合物較多，如W2B、WB、WB2、WB4和WB12等，利用鎢和硼合成的硼化鎢產物相組成複雜，因此製備純度高、粒徑均勻的二硼化鎢粉體難度較大。

現有的一種製備二硼化鎢的方法為：東北大學的曹曉舟等人採用傳統固相合成的方法，在1400℃溫度下合成二硼化鎢粉體。該種方法的不足之處在於：1、合成溫度較高，造成了硼粉的揮發損失，增加了生產成本；2、製得的二硼化鎢粉體粒徑大。

因此，亟須一種合成溫度低、工藝簡單、成本低廉，且製得的二硼化鎢純度高、粒徑小的二硼化鎢製備方法。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的在於提供一種合成溫度低、工藝簡單、成本低廉，且製得的二硼化鎢純度高、粒徑小的二硼化鎢製備方法。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明採用的主要技術方案包括：

本發明提供一種二硼化鎢製備方法。具體地，該二硼化鎢製備方法包括如下步驟：

S1、將鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:2-3混合形成反應粉體；

S2、將反應粉體和熔鹽混合，得到混合粉體；

S3、將混合粉體在真空狀態下或惰性氣體保護下熱處理，熱處理溫度為1000-1300℃，熱處理後自然冷卻到室溫，得到二硼化鎢和熔鹽的混合物；

S4、將二硼化鎢和熔鹽的混合物分離，得到二硼化鎢。

進一步地，熔鹽為氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鋰和氯化鈣中一種或多種。

進一步地，反應粉體和熔鹽按質量比1:1-10混合。

進一步地，在S2中，將反應粉體和熔鹽置於球磨機中幹磨混合，得到混合粉體。

進一步地，在S3中，熱處理時間為1-5h。

進一步地，在S3中，將混合粉體置於氧化鋁坩堝中，在真空狀態下或惰性氣體保護下熱處理。

進一步地，S4包括如下步驟：

S41：將二硼化鎢和熔鹽的混合物用去離子水多次過濾分離，得到沉澱物；

S42：將沉澱物乾燥處理，得到二硼化鎢。

進一步地，在S41中，將二硼化鎢和熔鹽的混合物用溫度為60-90℃的去離子水多次真空抽濾分離，得到沉澱物。

進一步地，在S42中，將沉澱物置於75-85℃的真空乾燥箱中乾燥處理11-13h。

本發明還提供一種二硼化鎢，該二硼化鎢由上述的二硼化鎢製備方法製備而成。

(三)有益效果

本發明的有益效果是：

本發明的二硼化鎢製備方法中，熔鹽、鎢粉和無定型硼粉在熱處理的過程中，鎢粉和無定型硼粉保持固相，熔鹽處於液相，固相的鎢粉和無定型硼粉在液相的熔鹽中，擴散速度顯著加快，不僅縮短了反應時間，而且降低了反應溫度；

熔鹽、鎢粉和無定型硼粉在熱處理的過程中，熔鹽的加入使得反應溫度降低，反應溫度降低使得整個反應過程中，不僅反應所需熱處理的能耗減少，生產成本降低，而且硼粉的揮發減少，生產成本降低；

熔鹽、鎢粉和無定型硼粉在熱處理的過程中，熔鹽不參與反應，可以在反應結束後，回收再利用，生產成本降低；

熔鹽、鎢粉和無定型硼粉在熱處理的過程中，高溫下處於液相的熔鹽對反應生成的二硼化鎢有一定的阻隔作用，從而抑制了二硼化鎢晶粒的長大，使得反應製備的二硼化鎢粒徑小；

本發明的二硼化鎢製備方法，一方面，在真空狀態下或惰性氣體保護下，避免了鎢粉、無定型硼粉的氧化，另一方面，按摩爾比1:2-3混合的鎢粉和無定型硼粉在1000-1300℃的溫度下熱處理，避免了W-B系的其他中間化合物產生，使得反應製備的二硼化鎢純度高；

本發明的二硼化鎢製備方法，是在傳統固相生成法的基礎上，創造性的提供一個液相的反應介質環境，且反應得到的二硼化鎢和熔鹽介質的混合物中僅包括兩種性質差異較大的物質，分離較易，整個工藝簡單。

綜上，本發明的二硼化鎢製備方法合成溫度低、工藝簡單、成本低廉，且製得的二硼化鎢純度高、粒徑小。

附圖說明

圖1為本發明實施例一製得的二硼化鎢粉體的X射線衍射(XRD)圖譜；

圖2為本發明實施例一製得的二硼化鎢粉體的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。

具體實施方式

為了更好的解釋本發明，以便於理解，下面結合附圖，通過具體實施方式，對本發明作詳細描述。

本發明的二硼化鎢製備方法包括如下步驟：

S1、將鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:2-3混合形成反應粉體；

S2、將反應粉體和熔鹽混合，得到混合粉體；

S3、將混合粉體在真空狀態下或惰性氣體保護下熱處理，熱處理溫度為1000-1300℃，熱處理後自然冷卻到室溫，得到二硼化鎢和熔鹽的混合物；

S4、將二硼化鎢和熔鹽的混合物分離，得到二硼化鎢；

其中，熔鹽為氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鋰和氯化鈣中一種或多種。

反應粉體和熔鹽按質量比1:1-10混合。

在S3中，熱處理時間為1-5h。

在熱處理溫度為1000-1300℃時，上述鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:2-3混合，鎢粉和無定型硼粉的摩爾比大於1:2，即無定型硼粉佔比過小，生成的二硼化鎢中參雜一硼化鎢，純度不高，鎢粉和無定型硼粉的摩爾比小於1:3，即無定型硼粉佔比過大，生成的二硼化鎢中參雜四硼化鎢，純度不高。

在熱處理溫度為1000-1300℃時，上述反應粉體和熔鹽按質量比1:1-10混合，反應粉體和熔鹽的質量比大於1:1，即熔鹽佔比過小，不僅會使得生成的二硼化鎢粒徑過大，而且使得充分反應的熱處理時間增加，反應粉體和熔鹽質量比小於1:10，即熔鹽佔比過大，會造成成本的增加。

在熱處理溫度為1000-1300℃時，氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鋰和氯化鈣中任意一種或任意多種組成的熔鹽為液相，熔鹽和鎢粉之間、熔鹽和無定型硼粉之間、熔鹽自身不發生反應。

上述熱處理溫度為1000-1300℃，熱處理溫度低於1000℃，生成的二硼化鎢中參雜一硼化鎢，純度不高，熱處理溫度高於1300℃，會造成硼粉的揮發，當鎢粉和無定型硼粉按1:2的摩爾比混合，生成的二硼化鎢中參雜一硼化鎢，純度不高。

在熱處理溫度為1000-1300℃時，熱處理時間為1-5h，熱處理時間過短，會使得鎢粉和無定型硼粉之間的反應不充分，熱處理時間過長，會造成能源的浪費，增加成本。

本發明的二硼化鎢製備方法中，熔鹽、鎢粉和無定型硼粉在熱處理的過程中，鎢粉和無定型硼粉保持固相，熔鹽處於液相，固相的鎢粉和無定型硼粉在液相的熔鹽中，擴散速度顯著加快，不僅縮短了反應時間，而且降低了反應溫度。

熔鹽、鎢粉和無定型硼粉在熱處理的過程中，熔鹽的加入使得反應溫度降低，反應溫度降低使得整個反應過程中，不僅反應所需熱處理的能耗減少，生產成本降低，而且硼粉的揮發減少，生產成本降低。

熔鹽、鎢粉和無定型硼粉在熱處理的過程中，熔鹽不參與反應，可以在反應結束後，回收再利用，生產成本降低。

熔鹽、鎢粉和無定型硼粉在熱處理的過程中，高溫下處於液相的熔鹽對反應生成的二硼化鎢有一定的阻隔作用，從而抑制了二硼化鎢晶粒的長大，使得反應製備的二硼化鎢粒徑小。

本發明的二硼化鎢製備方法，一方面，在真空狀態下或惰性氣體保護下，避免了鎢粉、無定型硼粉的氧化，另一方面，按摩爾比1:2-3混合的鎢粉和無定型硼粉在1000-1300℃的溫度下熱處理，避免了W-B系的其他中間化合物產生，使得反應製備的二硼化鎢純度高。

本發明的二硼化鎢製備方法，是在傳統固相生成法的基礎上，創造性的提供一個液相的反應介質環境，且反應得到的二硼化鎢和熔鹽介質的混合物中僅包括兩種性質差異較大的物質，分離較易，整個工藝簡單。

在S2中，將反應粉體和熔鹽置於球磨機中幹磨混合，得到混合粉體。利用球磨機中混合的好處是：1、可以促進鎢粉和無定型硼粉之間的充分混合；2、可以進一步細化鎢粉和無定型硼粉的粒徑；3、可以進一步使得鎢粉和無定型硼粉之間擠壓接觸。鎢粉和無定型硼粉之間的充分混合、鎢粉和無定型硼粉粒徑的進一步細化以及鎢粉和無定型硼粉之間的擠壓接觸都可以縮短鎢粉和無定型硼粉之間的反應時間，減少能源消耗，進而使得成本減少。

在S3中，將混合粉體置於氧化鋁坩堝中，在真空狀態下或惰性氣體保護下熱處理。在真空狀態下或惰性氣體保護下熱處理，可以避免鎢粉和無定型硼粉在高溫作用下被氧化，生成的二硼化鎢中參雜氧化物，純度不高。採用氧化鋁坩堝作為熱處理容器，不僅可以保證熱處理的順利進行，而且可以避免在熱處理的過程中引入其他雜質。

本發明的二硼化鎢製備方法中，二硼化鎢和熔鹽的混合物中僅包括二硼化鎢和熔鹽，二硼化鎢和熔鹽之間的性質差異很大，且不同的熔鹽之間也會有性質差異，因而分離二硼化鎢和熔鹽的方法不是唯一的，例如，當熔鹽為氯化鎂和/或氯化鈣時，可以利用乙醇分離二硼化鎢和熔鹽，當熔鹽為氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鋰和氯化鈣中一種或多種時，可以利用水分離二硼化鎢和熔鹽。優選地，利用水分離二硼化鎢和熔鹽，具體地，包括如下步驟：

S41：將二硼化鎢和熔鹽的混合物用去離子水多次過濾分離，得到沉澱物；

S42：將沉澱物乾燥處理，得到二硼化鎢。

在S41中，將二硼化鎢和熔鹽的混合物用溫度為60-90℃的去離子水多次真空抽濾分離，得到沉澱物。採用60-90℃的去離子水，可以使得分離次數減少，簡化工藝，這是因為溫度升高，會使得熔鹽在去離子水中的溶解度增大。上述真空抽濾還可以替換為沉降、過濾、膜過濾、壓濾、以及離心機。

在S42中，將沉澱物置於75-85℃的真空乾燥箱中乾燥處理11-13h；優選地，在S42中，將沉澱物置於80℃的真空乾燥箱中乾燥處理12h。

本發明的二硼化鎢，由上述的二硼化鎢製備方法製備而成。

綜上，本發明的二硼化鎢製備方法合成溫度低、工藝簡單、成本低廉，且製得的二硼化鎢純度高、粒徑小。

實施例一

第一步、將鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:2混合形成反應粉體；

第二步、將氯化鈉和氯化鉀按質量比1:1形成熔鹽；

第三步、將反應粉體和熔鹽按質量比1:6置於球磨機中幹磨混合1h後，得到混合粉體；

第四步、將混合粉體置於氧化鋁坩堝中，在流動Ar氣保護下加熱至1100℃並保溫3h，自然冷卻到室溫，得到二硼化鎢和熔鹽的混合物；

第五步、將二硼化鎢和熔鹽的混合物置於90℃去離子水中並持續攪拌1h，經真空抽濾分離得到中間沉澱物，將中間沉澱物用90℃去離子水洗滌3次，得到沉澱物；

第六步、將沉澱物置於80℃的真空乾燥箱中乾燥處理12h，得到二硼化鎢。

本實施例中，圖1為本實施例製備的二硼化鎢粉體的XRD圖譜，該圖譜表明，製備的二硼化鎢粉體純度高，沒有其他雜質相。圖2為本實施例製備的二硼化鎢粉體的SEM照片(其中，工作距離8.3mm，放大倍數5.00kx)，該照片表明，製備的二硼化鎢顆粒尺寸均勻，粒徑小。

實施例二

第一步、將鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:2.5混合形成反應粉體；

第二步、取氯化鋰形成熔鹽；

第三步、將反應粉體和熔鹽按質量比1:3置於球磨機中幹磨混合1h後，得到混合粉體；

第四步、將混合粉體置於氧化鋁坩堝中，在流動Ar氣保護下加熱至1300℃並保溫2h，自然冷卻到室溫，得到二硼化鎢和熔鹽的混合物；

第五步、將二硼化鎢和熔鹽的混合物置於90℃去離子水中並持續攪拌1h，經真空抽濾分離得到中間沉澱物，將中間沉澱物用90℃去離子水洗滌3次，得到沉澱物；

第六步、將沉澱物置於80℃的真空乾燥箱中乾燥處理12h，得到二硼化鎢。

本實施例中，製備的二硼化鎢粉體不僅純度高，沒有其他雜質相，而且顆粒尺寸均勻，粒徑小。

實施例三

第一步、將鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:3混合形成反應粉體；

第二步、取氯化鉀形成熔鹽；

第三步、將反應粉體和熔鹽按質量比1:1置於球磨機中幹磨混合1h後，得到混合粉體；

第四步、將混合粉體置於氧化鋁坩堝中，在流動Ar氣保護下加熱至1200℃並保溫3h，自然冷卻到室溫，得到二硼化鎢和熔鹽的混合物；

第五步、將二硼化鎢和熔鹽的混合物置於60℃去離子水中並持續攪拌1h，經真空抽濾分離得到中間沉澱物，將中間沉澱物用60℃去離子水洗滌3次，得到沉澱物；

第六步、將沉澱物置於80℃的真空乾燥箱中乾燥處理12h，得到二硼化鎢。

本實施例中，製備的二硼化鎢粉體不僅純度高，沒有其他雜質相，而且顆粒尺寸均勻，粒徑小。

實施例四

第一步、將鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:2混合形成反應粉體；

第二步、將氯化鉀和氯化鋰按質量比1:1形成熔鹽；

第三步、將反應粉體和熔鹽按質量比1:3置於球磨機中幹磨混合1h後，得到混合粉體；

第四步、將混合粉體置於氧化鋁坩堝中，在流動Ar氣保護下加熱至1100℃並保溫3h，自然冷卻到室溫，得到二硼化鎢和熔鹽的混合物；

第五步、將二硼化鎢和熔鹽的混合物置於90℃去離子水中並持續攪拌1h，經真空抽濾分離得到中間沉澱物，將中間沉澱物用90℃去離子水洗滌3次，得到沉澱物；

第六步、將沉澱物置於80℃的真空乾燥箱中乾燥處理12h，得到二硼化鎢。

本實施例中，製備的二硼化鎢粉體不僅純度高，沒有其他雜質相，而且顆粒尺寸均勻，粒徑小。

實施例五

第一步、將鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:2.5混合形成反應粉體；

第二步、取氯化鎂形成熔鹽；

第三步、將反應粉體和熔鹽按質量比1:8置於球磨機中幹磨混合1h後，得到混合粉體；

第四步、將混合粉體置於氧化鋁坩堝中，在流動Ar氣保護下加熱至1100℃並保溫5h，自然冷卻到室溫，得到二硼化鎢和熔鹽的混合物；

第五步、將二硼化鎢和熔鹽的混合物置於70℃去離子水中並持續攪拌1h，經真空抽濾分離得到中間沉澱物，將中間沉澱物用70℃去離子水洗滌3次，得到沉澱物；

第六步、將沉澱物置於80℃的真空乾燥箱中乾燥處理12h，得到二硼化鎢。

本實施例中，製備的二硼化鎢粉體不僅純度高，沒有其他雜質相，而且顆粒尺寸均勻，粒徑小。

實施例六

第一步、將鎢粉和無定型硼粉按摩爾比1:3混合形成反應粉體；

第二步、將氯化鈣和氯化鈉按質量比1:1形成熔鹽；

第三步、將反應粉體和熔鹽按質量比1:1置於球磨機中幹磨混合1h後，得到混合粉體；

第四步、將混合粉體置於氧化鋁坩堝中，在流動Ar氣保護下加熱至1200℃並保溫4h，自然冷卻到室溫，得到二硼化鎢和熔鹽的混合物；

第五步、將二硼化鎢和熔鹽的混合物置於90℃去離子水中並持續攪拌1h，經真空抽濾分離得到中間沉澱物，將中間沉澱物用90℃去離子水洗滌3次，得到沉澱物；

第六步、將沉澱物置於80℃的真空乾燥箱中乾燥處理12h，得到二硼化鎢。

本實施例中，製備的二硼化鎢粉體不僅純度高，沒有其他雜質相，而且顆粒尺寸均勻，粒徑小。

以上內容僅為本發明的較佳實施例，對於本領域的普通技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。