自蔓延鎂熱還原法制備高純度二硼化鋯微粉.pdf

1、本文采用自蔓延鎂熱還原高溫合成工藝，利用ZrO2-B2O3-Mg體系放熱反應(yīng)，成功制備了高純度ZrB2微粉。利用多種實(shí)驗(yàn)手段和分析方法，研究了合成ZrB2的燃燒合成反應(yīng)機(jī)理、工藝規(guī)律、產(chǎn)物的微觀組織及粉末特性。
　　基于熱力學(xué)理論，對ZrO2-B2O3-Mg體系的反應(yīng)絕熱溫度及反應(yīng)自由能進(jìn)行了理論計(jì)算和分析。絕熱溫度計(jì)算表明：稀釋劑含量為零時，ZrO2-B2O3-Mg體系的絕熱溫度Tad為3093K，隨著稀釋劑含量的增加絕熱溫度呈

2、現(xiàn)逐漸降低的趨勢，得出了稀釋劑MgO含量在0～45％，稀釋劑ZrB2含量在0～62％之間的所有組分的體系均有足夠的熱量來完成燃燒合成反應(yīng)的結(jié)論。反應(yīng)自由能的計(jì)算表明：在所研究的溫度范圍(400~2000K)內(nèi)反應(yīng)B2O3-Mg、Zr-B、ZrO2-B2O3-Mg生成自由能均小于零，都存在發(fā)生的可能性；反應(yīng)ZrO2-Mg生成自由能在溫度＜1600K時小于零，存在發(fā)生的可能性；基于熱力學(xué)的理論計(jì)算和動力學(xué)理論，結(jié)合差熱分析、燃燒波淬熄實(shí)驗(yàn)、

3、微觀組織分析、化學(xué)成分分析，研究體系燃燒反應(yīng)的微觀形成過程。差熱分析表明：該反應(yīng)過程經(jīng)由多個中間反應(yīng)直至最后完成，B2O3在450℃熔化，Mg在650℃熔化，三相反應(yīng)的發(fā)生始于730℃。首先發(fā)生的反應(yīng)是ZrO2和Mg的還原反應(yīng)，其次是B2O3和Mg的還原反應(yīng)，最后是Zr和B反應(yīng)合成ZrB2。淬熄實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ZrO2-B2O3-Mg體系燃燒反應(yīng)可劃分為如下幾個階段：預(yù)熱階段，B2O3、Mg熔化，在“毛細(xì)管”作用下，液態(tài)Mg滲透到熔融的B

4、2O3和固態(tài)的ZrO2顆粒間隙，形成空心熔體球，液態(tài)Mg、B2O3和固態(tài)ZrO2顆粒混合物在熔體球表面形成薄殼，反應(yīng)在此薄殼上發(fā)生；反應(yīng)初段，ZrO2顆粒與Mg熔體以溶解-析出機(jī)制反應(yīng)生成Zr和MgO，釋放大量的反應(yīng)熱；反應(yīng)中段，反應(yīng)初段放出的強(qiáng)大熱誘發(fā)了B2O3-Mg之間的反應(yīng)，生成B和MgO，反應(yīng)末段，Zr和B結(jié)合生成ZrB2晶粒。ZrO2-B2O3-Mg之間的反應(yīng)為復(fù)雜的固－液－液反應(yīng)。
　　工藝規(guī)律研究結(jié)果表明，原料中Mg

5、和B2O3的揮發(fā)對產(chǎn)物ZrB2粉末純度具有重要影響。隨著Mg和B2O3含量的增加，產(chǎn)物純度提高。在方程式配比基礎(chǔ)上，Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)過量30％，B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)過量5％時，得到的ZrB2粉末純度最高，為96.31％，其中Zr含量77.88％，B含量18.43％，雜質(zhì)O含量1.28％，平均粒度為2.15μm，比表面積為10.80m2/g，形貌為無明顯團(tuán)聚的等軸狀顆粒。在反應(yīng)原料中加入適量的稀釋劑MgO(0～45%)，可調(diào)節(jié)燃燒溫度，改善ZrB