一種化合物的自蔓延合成反應裝置的製作方法
2023-11-01 23:37:51 1
本實用新型公開了一種化工製備裝置，具體來說，涉及一種製備高純度、精粒度的亞微米級碳化硼粉體的化合物的自蔓延合成反應裝置。
背景技術：
：目前，科研文獻中提到的碳化硼粉末的製備方法有電弧爐碳熱還原法、碳管爐碳熱還原法、中頻感應爐碳熱還原法、Sol-Gel法、氣相沉積法及鎂熱還原法等，這些不同方法所製備材料的純度和粒度各不相同。當前，國內能夠實現碳化硼產業化製備的技術路線只有碳熱還原法，其中以電弧爐碳熱還原法的產能最高。但電弧爐碳熱還原製備碳化硼工藝能耗高、生產環境惡劣，合成的碳化硼硬塊後續的研磨提純工藝複雜，最終製備粉末的顆粒粗大(微米級)、純度較低，嚴重降低了碳化硼粉末燒結製品的性能。超細碳化硼粉末可以顯著降低緻密化燒結溫度，但是碳化硼是一種高硬度材料(其硬度僅次於金剛石和立方氮化硼)，僅僅通過機械研磨的方法來獲得精細碳化硼粉末是不現實的，要獲得亞微米級甚至更精細的碳化硼粉末，開發碳熱還原法以外的其他技術路線就顯得尤為重要。目前，Sol-Gel法和氣相沉積法能夠合成納米級碳化硼粉末，但成本高、生產效率低，距離產業化還有很大的距離。技術實現要素：本發明針對現有碳化硼粉末合成技術上存在的問題，提供了一種化合物的自蔓延合成反應裝置，它包括電源、電熱元件和石墨舟，所述電源引出的正負電極兩端設置電熱元件，所述電熱元件與石墨舟的一端相接，所述石墨舟用於承裝坯料，其包括帶有底座的舟體和頂部蓋板，所述舟體側壁及頂部蓋板上分別布置有至少為一個通孔，所述通孔體積小於坯料體積。為了進一步地實現本發明，它還包括反應室、真空泵和裝有保護氣體的容器，所述反應室呈臥式管狀結構，所述反應室的內腔具有容納石墨舟的第一空間及容納保護氣體的第二空間，所述反應室外壁設置有排氣孔和進氣孔，所述排氣孔與真空泵相連通，所述進氣孔與裝有保護氣體的容器相連通。為了進一步地實現本發明，所述保護氣體為Ar。為了進一步地實現本發明，所述反應室外壁還設置有與電源的電極相匹配的正負電極位，所述正負電極位與所述第二空間相通，所述電熱元件從正負電極位伸入，穿過第二空間，與石墨舟的一端相接。為了進一步地實現本發明，它還包括調壓器，所述調壓器設置在電源與反應室之間，通過所述調壓器調整加熱功率。為了進一步地實現本發明，所述電熱元件具有耐高溫800℃以上的特性，所述電熱元件採用鐵鉻鋁合金絲。為了進一步地實現本發明，它還包括流量計，所述流量計設置在裝有保護氣體的容器與反應室的進氣孔之間，以便Ar氣體的流量控制。為了進一步地實現本發明，所述石墨舟的兩側設置有可拆卸擋板。為了進一步地實現本發明，所述石墨舟舟體的開口處設置有供蓋板橫向抽拉的槽口，所述蓋板橫向設置於該舟體的開口處，與所述槽口配合連接於舟體上。為了進一步地實現本發明，所述保護氣在反應室的第二空間裡環抱石墨舟舟體。本實用新型的有益效果：本實用新型具有操作簡單、生產效率提高、能耗降低及粉塵產生量少的特點，所製備碳化硼粉末純度高、粒度細且具有較高的燒結活性。鎂熱自蔓延合成法是利用原料之間的放熱化學反應，通過引燃後自身維持的燃燒過程來合成亞微米級粉末材料的一種先進技術，它具有生產效率高、所製備粉末純度高、顆粒精細的特點。所以，採用鎂熱自蔓延合成高純度、高粒度的碳化硼粉末具有極大的工業發展潛力。亞微米級碳化硼為灰黑色粉末，具有密度低(2.52g/cm3)、硬度高、熔點高(2450℃)、導熱性好、耐磨性優良、對中子吸收能力大的特點，並且具有較高力學性能以及優良的抗氧化和耐腐蝕性能。由於其高硬度，亞微米級碳化硼及其複合材料可以用來製造研磨劑和防彈裝甲。利用其密度低及高溫強度高的特點，亞微米級碳化硼可以應用與航空航天領域。亞微米級碳化硼中的10B具有較高的中子吸收截面，作為一種核屏蔽和控制材料，亞微米級碳化硼因為它的高純度、精粒度在核反應堆中具有更廣泛的應用。附圖說明圖1為本發明的化合物的自蔓延合成反應裝置示意圖：1-調壓器，2-真空泵，3-窺視窗口，4-反應室門，5-排氣口，6-加熱電極，7-石墨舟，8-進氣口，9-流量計，10-Ar氣瓶，11-帶有鑽孔的石墨舟蓋板，12-石墨舟底座，13-石墨舟截面圖；圖2為以實施例2為例碳化硼粉末的XRD圖譜；圖3為粒度分析測試數據的曲線圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步地詳細的說明，這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，本具體實施的方向以圖1方向為標準。本發明提供了一種粒度為亞微米級(100μm)碳化硼粉體及其合成方法，下面的實施例只是用於詳細說明本發明，並不以任何方式限制發明的保護範圍。本發明方法為：步驟1配備原料初步混合本發明以B2O3、納米碳黑為硼源和碳源，以金屬鎂為還原劑，烘乾脫水後將三氧化二硼(B2O3)、納米碳黑(C)和金屬鎂(Mg)粉按照質量比B2O3：C：Mg＝(182～210)：12：(151～159)進行配料，按照化學方程式，這三種原料之間有一個理論配比是B2O3:C:Mg＝140:12:144即B2O3過量(30～50)％，Mg過量(5～10)％，三種原料的粒度均小於50μm，純度高於98.5％，其中，納米碳黑的粒度在80nm以下，純度為大於99.99％，原料在鋼包氧化鋁內襯的滾筒混料機內初步混合。裝料時，先裝入B2O3和鎂粉後裝入納米碳黑，以免碳黑飛揚產生損失。步驟2添加研磨介質，混料均勻本發明添加研磨介質為氧化鋯球(ZrO2)，氧化鋯球與原料的質量比是(1～1.5):1，氧化鋯球(ZrO2)直徑為Φ10mm，材料混合均勻，滾筒轉速是25r/min，混料時間至少2小時，混料均勻性達標的判斷依據是物料內不存在軟團聚塊，肉眼不可見白色散點，整體呈現均勻的灰色或灰黑色。研磨介質也可以採用本領域內一般技術人員所熟知的其他介質。步驟3原料與研磨介質分離混料均勻後，採用分樣篩將氧化鋯球進行分離，得到混合粉料。步驟4壓力製成生坯將混合粉料倒入不鏽鋼坯體模具，在壓力機施加(5～10)MPa壓力下壓製成直徑為Φ50mm圓柱狀的生坯。可以根據產業需要選擇範圍內的壓強，以壓製出不同密度的生坯。步驟5坯體入反應裝置進行自蔓延的合成反應坯體裝進鑽孔半圓的石墨舟，石墨舟送進自蔓延反應室，然後對反應室抽真空，再通入流動的Ar氣保護。反應室電連接電源的兩極，在兩者連接處設置有耐高溫達800℃以上的電熱元件，本實施例中的電熱元件採用鐵鉻鋁合金絲，該電熱元件的另一端向反應室內延伸至石墨舟，當接通電源時，加熱電熱絲，同時，利用石墨舟良好的導熱性加熱物料，石墨舟具有傳熱快，受熱均勻的特點。當白熱的電熱絲對物料加熱到一定溫度時，由於金屬鎂(Mg)受熱易燃的特性引燃物料，石墨舟傳熱維持燃燒波，此時斷電，物料依靠燃燒波自蔓延合成反應。步驟6對反應產物破碎待整個物料反應結束，自然冷卻至常溫，收集反應產物，原料之間發生化學反應，生成了B4C和MgO兩種物質的混合物，採用顎式破碎機將產物破碎至5mm。步驟7研磨、分離採用研磨介質—氧化鋯球(ZrO2)將燃燒產物研磨至30～50μm以下後，採用分樣篩將球料分離。步驟8酸洗提純將粉末物裝入玻璃反應容器，加入2～5mol/L鹽酸溶液，鹽酸溶液的加入量需要在理論加入量的基礎上過量25％，理論加入量的計算依據是1molMg元素需要消耗2mol的純HCl。將玻璃反應容器進行密封，對物料進行酸洗提純。酸洗過程中不斷對物料進行攪拌、加熱，從而金屬鎂在鹽酸溶液中的還原穩定化，酸洗溫度維持在80～120℃，酸洗時間10h，經測試，酸洗後的物料顆粒達到亞微米級。步驟9物料過濾、洗滌、乾燥將酸洗產物過濾，並用去離子水洗滌後，得到濾餅，濾餅放入真空乾燥箱內烘乾，烘乾溫度為100℃，烘乾時間12h。經過酸洗乾燥後，多個顆粒會軟團聚結塊，形成5μm粒徑以下的微米及亞微米級顆粒的物料。步驟10氣流破碎烘乾後的物料再經過氣流粉碎設備破碎，利用這個方式不會引入雜質汙染，團聚顆粒打開，得到純度為99.4％、平均粒徑為0.4～1μm的亞微米級碳化硼粉末可以佔到90％以上。本發明還提供了一種化合物的自蔓延合成反應裝置，如圖1所示，它包括電源1、調壓器2、反應室3、電熱元件4、石墨舟5、真空泵6、Ar氣瓶7和流量計8，其中：所述電源1的正負電極引出與反應室3連接，中間通過調壓器2調整加熱功率，所述電源1引出的正負電極兩端設置耐高溫800℃以上的電熱元件4，所述電熱元件4，在本實施例中，採用鐵鉻鋁(FeCrAl)合金絲。由圖1可知，所述反應室呈臥式管狀結構，所述反應室3的內腔具有容納石墨舟5的第一空間31及容納環抱石墨舟5的保護氣體的第二空間32，所述反應室3的左側設置有反應室的推拉門33，承載坯料的石墨舟5從該推拉門33送入，該推拉門33的中心位置設置有窺視窗口331以便於操作人員順時觀察合成反應的狀況；所述反應室3的左端外壁設置有排氣孔34，所述排氣孔34與真空泵6相連通；所述反應室3的右端外壁設置有進氣孔35，所述進氣孔35與Ar氣瓶7相連通，其兩者中間設置有流量計8，以便Ar氣體的流量控制，Ar氣瓶用於提供Ar氣保護反應；在反應室3在進舟端的外壁還設置有與電源1的電極相匹配的正負電極位36，所述正負電極位36與第二空間32相通，以便電熱元件4從正負電極位36伸入，穿過第二空間32，與石墨舟5的對應端部相接。所述石墨舟5包括帶有底座的舟體51和帶有圓孔54的蓋板52，所述的舟體51用於承裝坯料，該舟體51的軸截面為半圓形，兩側設置有可拆卸擋板53，該舟體51的開口處設置有供蓋板橫向抽拉的槽口511,所述蓋板52橫向設置於該舟體51的開口處，與所述槽口511配合連接於舟體51上，舟體側壁及頂部蓋板上均布置有直徑為Φ3～5mm不等的小圓孔54，以便於物料在石墨舟內反應時熱量及時消散和低熔點物質的揮發。表1自蔓延合成B4C粉末的化學分析結果成分含量(wt.％)總硼79.81總碳19.59總硼+總碳99.4游離硼0.37游離碳0.63氧0.22鐵0.19其他雜質0.04亞微米級碳化硼(B4C)為灰黑色粉末，具有密度低(2.52g/cm3)、硬度高、熔點高(2450℃)、導熱性好、耐磨性優良、對中子吸收能力大的特點，並且具有較高力學性能以及優良的抗氧化和耐腐蝕性能。碳化硼屬斜方晶系，由於在非化學計量的碳化硼中，可望存在較高的空位濃度，而結構空位的非平衡狀態可以活化擴散物質的轉移機構，提高硼和碳的擴散能動性，導致晶格扭曲，降低結合能、擴散結合能、擴散激活能和位錯運動阻力，因此可以使燒結過程得到活化，所以該亞微米級的碳化硼能作為氣固反應的觸媒、過渡金屬或其他觸媒的載體應用，本方法製得的亞微米級碳化硼粉質量符合我國國家標準GB5151－85中規定的核一級粉(HTP－1)要求[10]。由於其高硬度，該亞微米級碳化硼與其複合材料可以用來製造研磨劑和防彈裝甲；利用其密度低及高溫強度高的特點，碳化硼可以應用與航空航天領域；碳化硼中的10B具有較高的中子吸收截面，作為一種核屏蔽和控制材料；利用該亞微米級碳化硼的高純度、精粒度及在燒結過程中活化性能，在核反應堆中具有廣泛的應用。以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明並不局限於上述實施方式，在實施過程中可能存在局部微小的結構改動，如果對本發明的各種改動或變型不脫離本發明的精神和範圍，且屬於本發明的權利要求和等同技術範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型。當前第1頁1 2 3