稀释剂添加量对燃烧合成亚微米ZrB2微观组织的影响
喇培清, 韩少博, 卢学峰, 魏玉鹏
兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室, 兰州 730050

喇培清(1971-), 男, 博士, 教授. E-mail:pqla@lut.cn

摘要

以NaCl为稀释剂, B2O3、ZrO2和Mg粉为原料, 利用燃烧合成法成功制备了亚微米ZrB2粉体, 并对其进行了SEM、EDS, XRD和粒度分析。结果表明: 随着稀释剂添加量增加, 体系绝热温度下降; 浸出产物是由少量的大尺寸颗粒和大量的小尺寸颗粒形成的弱团聚体; 稀释剂摩尔数k值从0.5增加到1.5时, 产物平均颗粒尺寸从305 nm降低到160 nm; 产物浸出后主要物相为ZrB2和ZrO2, 后者含量随稀释剂添加量增加而降低。稀释剂可以提供液态介质, 促进质量传输, 提高产物纯度, 还可以降低体系燃烧温度, 并包覆在产物表面抑制其结晶长大, 降低颗粒尺寸。

关键词: NaCl稀释剂; 燃烧合成; ZrB2; 亚微米粉体
中图分类号:TQ174   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)02-0191-06
Effects of the Diluent Content on Microstructure of Submicron ZrB2 by Combustion Synthesis
LA Pei-Qing, HAN Shao-Bo, LU Xue-Feng, WEI Yu-Peng
Lanzhou University of Technology, State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Materials, Lanzhou 730050, China
Abstract

Submicron ZrB2 powders were prepared by combustion synthesis using NaCl as the diluent and B2O3, Mg and ZrO2 as raw materials. The samples were analyzed by SEM, EDS, XRD and particle size analyzer. The results show that adiabatic temperature of the system decreases with the diluent content increase. The products are aggregates which contain a small amount of larger-sized particles and a large number of small-sized particles. The average particle size of products drops from 305 nm to 160 nm as the value ofk,i.e. molar ratio of the diluent, increases from 0.5 to 1.5. The products after leaching mainly consist of ZrB2and ZrO2, and the content of the latter decreases with the increase ofk. NaCl plays very important roles, such as providing a liquid medium, promoting the mass transfer, improving the purity of the products, reducing the combustion temperature of the system, inhibiting growth of particles by giving a coating on the surface, and leading to small-sized particles.

Keyword: NaCl diluent; combustion synthesis; ZrB2; submicron powders

ZrB2具有C32型六方结构, 空间群为P6/mmm[ 1], 具有熔点高(3245℃)、硬度高(22 GPa)、化学稳定性好、导热性(57.9 W/(m•k))和导电性好(9.2×10-6Ω)、抗蚀性和抗热震性优良、热膨胀系数低(5.9×10-6/℃)及高温强度和稳定性好等特点, 是典型的超高温陶瓷材料[ 2]。它在复合材料、电极材料、耐腐蚀耐磨涂层和太阳能吸收膜等方面中得到广泛地应用[ 3]。另外, ZrB2还是超音速飞行器、大气层载入和火箭推进系统备用材料[ 2]。ZrB2适合极端环境条件下应用, 引起人们极大的研究兴趣, 其低密度受到特别重视[ 4]

目前, ZrB2粉体的制备方法主要有碳或碳硼还原法、机械化学方法、自蔓延高温合成(SHS)和溶胶-凝胶法等。例如, 马成良等[ 5]采用ZrO2-B4C-C体系, 在真空感应炉和电弧炉中完成了ZrB2的工业合成, 前者粉体质地纯净、温度可严格控制, 但生产能力相对低, 生产周期长; 后者能量集中、物料迅速升至高温、反应瞬间完成、生产效率高, 但物料损耗大, 电熔工艺控制需加强。Setoudeh等[ 6]采用机械球磨方法利用ZrO2-B2O3-Mg体系, 在室温合成了ZrB2粉体, 但是耗时太长, 且中间反应较多, 易于生成副产物, Chamberlain等[ 7]将Zr和B粉球磨4 h得到超细前驱体, 高温热压条件下SHS制备了块体ZrB2。Lee等[ 8]利用ZrO2-B2O3-Fe2O3-Al体系SHS合成了ZrB2, 高放热铝热反应使产物呈粗大的片状。方舟[ 9]和Camurlu[ 10]等均采用SHS法利用Zr-B体系合成了ZrB2粉体, 元素反应原料有效减少了杂质, 但因成本高仅适用于实验室研究和相图研究。朱时珍等[ 11]以硝酸氧锆、硼酸和酚醛树脂为原料, 采用溶胶-凝胶法制备前驱体, 然后在1300~1500℃下氩气流中热处理1 h, 制备了超细ZrB2粉体, 提高B/Zr比例可提高产物纯度, 但是产物晶粒会长大。贾全利等[ 12]以氧氯化锆、硼酸和蔗糖为原料, 采用溶胶-凝胶、微波碳热还原法在1100℃下制备ZrB2粉体, 合成温度比传统加热合成方法低200~400℃, 但产物会存在一定量的ZrC。

综合比较上述制备方法, SHS(燃烧合成)法具有产物纯度高、节能和效率较高等优点[ 13]。但是, 较高的燃烧温度使得产物颗粒长大倾向严重, 故产物一般颗粒较大[ 10], 相对于细颗粒尺寸粉体, 这种粗粒度粉体为原料得到的产品强度和塑性均较差[ 14]。近年来, 有学者在传统燃烧合成基础上引入稀释剂, 以合成粒度较小的粉体材料[ 10, 14, 15, 16, 17, 18]。本工作在ZrO2-Mg-B2O3体系中, 引入稀释剂NaCl, 利用燃烧合成法制备了亚微米ZrB2粉体。

1 实验
1.1 材料制备

实验原料为B2O3(> 99.0wt%)、ZrO2(> 99.5wt%)、Mg(> 99.5wt%)和NaCl(99.0wt%)粉体。反应按照方程式(1)进行, 鉴于燃烧温度较高, 低熔点的Mg易挥发损失, 实验原料Mg过量5wt%[ 19]; NaCl作为稀释剂以0.5 mol的增量递增, 直到体系不能发生自蔓延反应。反应物粉体与研磨球按质量比2:1混合置于不锈钢球磨罐中, 在行星式球磨机上混合8 h。取出后置于模具中, 在压力机上以15 MPa压力压制成φ20 mm×10 mm的饼状试样。将引燃剂片剂置于釜内铜坩埚中, 饼状试样平稳地安放在片剂上, 然后反应釜密封并开始加热, 充入0.5 MPa氩气, 10 min后放出气体以排除釜内空气; 待釜内温度升至约180℃, 充入2 MPa氩气; 260℃左右时, 釜内温度、压力急剧升高, 自蔓延反应开始并在几分钟内完成, 反应物转变为含ZrB2的块体产物。其块状产物研磨为粉体后, 按照反应(2)浸出除杂, HCl(9.6 mol/L)过量50wt% 以充分除去杂质。浸出持续72 h, 每4 h对浸出液体搅拌1次。ZrB2经抽滤与浸出液分离, 蒸馏水洗涤5次, 以除去其中残留的盐酸。取出ZrB2粉体, 在真空干燥箱内100℃下干燥8 h得到最终的ZrB2粉体。

B2O3 + 5Mg + ZrO2 = ZrB2 + 5MgO (1)

2HCl + MgO = MgCl2 + H2O (2)

B2O3 + 3H2O = 2H3BO3 (3)

1.2 材料表征

利用FESEM/EDS分析稀释剂添加量对合成的ZrB2粉体形貌和成分的影响规律, 采用激光粒度分析仪研究稀释剂添加量对合成的ZrB2粉体粒度分布的影响, 通过XRD检测产物的物相。

2 结果与讨论
2.1 稀释剂对体系绝热温度的影响

稀释剂的选择主要考虑两个因素: (1)不与原料反应, 且在ZrB2形成过程中, 可在其颗粒表面形成涂层, 将颗粒彼此分开而阻止颗粒长大; (2)在水中溶解度很高, 很容易地将其与产物分离[ 10]

运用C语言编制程序, 采用循环试算法求解, 计算出不同 k与体系绝热温度( Tad)的关系, 结果见图1。各反应物的热力学参数来自无机物热力学数据手册[ 20]

图1可以看出, 体系 Tad k增加而不断下降, Tad k=0时的3098℃下降到 k=5时的1795℃。这是由于NaCl熔点(801℃)和沸点(1413℃)均比较低, 体系温度升高至其熔点和沸点以上, NaCl就会发生熔化和蒸发, 这两个过程均会消耗反应放出的热量, 使体系 Tad下降[ 17, 18]; NaCl形成熔体, 增加了原子间的相互扩散, 反应则可在较低的温度下进行, 这也使 Tad降低[ 15]

图1 B2O3-5Mg-ZrO2体系的绝热温度与稀释剂的关系Fig. 1 Relationship of adiabatic temperature and the diluent content of B2O3-5Mg - ZrO2system

2.2 稀释剂对ZrB2粉体(浸出前)微观形貌的影响

引入稀释剂NaCl( k=0.5、1.0、1.5 mol)的体系均成功自蔓延燃烧合成了ZrB2。而 k增加至2 mol, 体系不能发生燃烧合成反应。反应产物为灰色块体、疏松多孔, 脆性较大, 经粉碎得到粉体的形貌如图2所示, 可以看出, 粉体均疏松多孔, 是大量亚微米颗粒团聚成的微米级颗粒。 k=0.5 mol时, 产物颗粒尺寸分布不均匀, 存在较大尺寸颗粒, 且小颗粒之间熔化烧结现象严重; k=1.0 mol时, 产物尺寸分布不均现象有所减弱, 小颗粒熔化烧结程度也有一定程度下降; k=1.5 mol时, 产物大尺寸颗粒比例进一步减少, 小颗粒熔化烧结现象也大大减弱, 颗粒呈现弱团聚。

图2 不同稀释剂含量燃烧合成产物(浸出前)的扫描电镜照片和EDS图谱Fig. 2 SEM images and EDS patterns of products by combustion synthesis method with different contents of diluent before leaching (a) k=0.5 mol; (b) k=1.0 mol; (c) k=1.5 mol

k较低时, NaCl对反应释放热量消耗能力较弱, 反应温度较高, 产物颗粒长大趋势严重, 且高温会增强产物颗粒间的部分熔化和烧结。随着 k增加, NaCl消耗大量反应热, 体系燃烧温度降低, 产物颗粒长大趋势和熔化烧结现象均减弱。另外, 产物的能谱分析表明颗粒表面为MgO和残余NaCl, 后者含量随 k增大而增加。当燃烧波传播至临近物料后, 大量ZrB2颗粒形核并长大到一定尺寸, 大部分颗粒在一定时间内被液相的NaCl包围, 液相介质使得颗粒易于扩散至距其较近的颗粒处再结晶而长大[ 21], 而那些相距较远颗粒间的相互扩散则被已凝固的NaCl阻碍, 不能再结晶而保持了原始的小尺寸。由图1可知 k较小时, 体系燃烧温度较高, 则液态NaCl过热程度大, 其冷却至凝固历时较长, 故其促进颗粒再结晶长大作用较强, 而固相抑制再结晶作用相对较弱; k增大时, 体系燃烧温度降低而使液态NaCl过热程度减小, 其冷却至凝固所需时间缩短, 则固相抑制再结晶作用占主导地位。这样就形成了 k增大时, 小尺寸颗粒比例增大的现象。总体来看, 产物都存在团聚现象, 而团聚程度随NaCl含量增大有减弱的趋势, 但需要对样品进一步磨削, 才能得到分散性良好的粉体。

2.3 稀释剂对ZrB2粉体(浸出后)微观形貌的影响

图3为添加不同稀释剂的产物浸出后的形貌,由图可以看出, ZrB2颗粒表面的NaCl包覆层及MgO在浸出过程中被除去, 故尺寸比浸出前有所减小, 并且颗粒团聚现象减弱, 这是由于颗粒形成后被NaCl包覆, 包覆层在相邻颗粒间起到隔离作用, 而其被去除后, 颗粒之间只有较弱的团聚[ 14]。浸出后粉体保持了浸出前的形貌, 即大部分为较小的亚微米级颗粒, 并存在少量尺寸较大的颗粒。

图3 不同稀释剂含量燃烧合成产物(浸出后)的扫描电镜照片Fig. 3 SEM images of products by combustion synthesis method with different contents of diluent after leaching (a) k=0.5 mol; (b) k=1.0 mol; (c) k=1.5 mol

浸出后粉体颗粒尺寸分布见图4, 可知产物尺寸分布均接近正态分布。平均颗粒尺寸统计见图4(d), 随着 k增加, 平均颗粒尺寸呈下降趋势, k从0.5增加至1, 平均颗粒尺寸从305 nm降到170 nm, 下降幅度较大; 而 k继续增大至1.5时, 下降到160 nm, 下降幅度减小。这是因为 k=0.5时, 反应物中NaCl含量较少, 燃烧合成过程中形成NaCl熔体也较少, ZrB2颗粒在形成过程中表面包覆层较薄, 对相邻颗粒扩散再结晶抑制作用有限, 且NaCl使燃烧温度的降低作用弱, 颗粒长大趋势明显; 当 k增加至1时, 燃烧合成过程中形成的熔体增多, 大部分颗粒形成后被有效包覆, 抑制相邻颗粒扩散再结晶的作用增强, 且燃烧温度进一步降低, 颗粒长大趋势减弱, 故而平均颗粒尺寸大幅度下降; 当 k继续增加至1.5时, NaCl抑制再结晶与降低燃烧温度的作用增强不明显, 故平均颗粒尺寸下降趋势减弱。

图4 浸出后产物的粒度分布(a, b, c)和平均颗粒尺寸统计(d)Fig. 4 Particle size distribution (a, b, c) and mean particle size (d) of the products after leaching

2.4 稀释剂对物相的影响

图5(a)是燃烧合成产物浸出前的XRD图谱, 主要物相均为ZrB2, ZrO2, MgO。NaCl在反应过程中会蒸发而损失, 其衍射峰相对强度均随 k增大而增强, 表明高温致使其部分损失, 其残余量随原料中 k增加而上升。产物中均有未反应的ZrO2, 这是由于ZrO2化学性质比较稳定, 即使在原料中不足, 仍然会有一定量ZrO2不能还原为ZrB2[ 10]

图5 不同稀释剂含量燃烧合成产物的XRD图谱Fig. 5 XRD patterns of products by combustion synthesis method adding with different contents of diluents (a) Before leaching; (b) After leaching

图5(b)可知产物浸出后主要物相为ZrB2和ZrO2, MgO和NaCl在浸出过程中被除去。产物中残余ZrO2峰相对强度随 k增加而减弱, 说明残余ZrO2的量逐渐减少。这是由于 k增加提供了更多的NaCl液相反应介质, 原子间的相互扩散在液相中的速率远高于固相中[ 15], 即反应过程中质量传输增强, 促进了反应的进行, 更多的ZrO2参与反应, 故残余的ZrO2量逐渐减少, 即 k增加提高了ZrO2转化率: 但ZrO2不溶于酸, 故浸出不能除去残留的ZrO2[ 6]

2.5 NaCl介质中ZrO2-B2O3-Mg体系反应机理

试样、引燃剂在反应釜内预热至260℃左右, 引燃剂发生反应释放出大量热, 使其临近局部试样温度急剧升高, 达到723 K时, B2O3熔化, 其液相包覆在Mg和ZrO2颗粒表面; 当温度升至923 K时, 熔化的Mg液填充在B2O3和ZrO2之间及ZrO2团聚体的缝隙中; 1053 K时, Mg熔体形成的强烈还原性气氛引发反应(4), 生成中间产物Zr, 其放出的大量热诱发液-液反应(5), 生成中间产物B[ 21]; 同时, 温度迅速超过NaCl的熔点, 液态NaCl为反应(4)、(5)及后续反应(6)[ 22]提供了液态反应介质, 增强了各个反应过程中的扩散作用, 促进了反应的进行。试样中的燃烧波结构如图6所示, 强放热反应(4)和(5)存在于燃烧波的化学反应区, 是释放热量的主要区域, 热量传输至其前方预热区, 引发该区的反应, 即将燃烧波向前推进; 而产物ZrB2的形成于结构形成区[ 23], 此处燃烧前沿已通过, 远离了主要热量释放区, 温度急剧下降, 前期ZrB2颗粒周围存在的液态NaCl会增强相邻颗粒间扩散而促进再结晶, 增加颗粒长大趋势; 但温度进一步下降, 凝固的NaCl成为相邻颗粒扩散的障碍, 抑制了其再结晶长大, 从而使之保持了小尺寸。由于燃烧前沿迅速通过, NaCl处于固相的时间较液相长, 致使少量颗粒尺寸较大, 而大部分尺寸较小。

2Mg+ZrO2= Zr+2MgO (4)

B2O3+3Mg=B+3MgO (5)

Zr+2B=ZrB2(6)

图6 燃烧波结构[ 23]Fig. 6 Structure of combustion wave[ 23]

3 结论

1) 产物粉体平均颗粒尺寸随稀释剂摩尔数 k增加呈下降趋势, 这是由于NaCl降低体系燃烧温度、减弱ZrB2长大趋势, NaCl在颗粒表面形成固态包覆层抑制相邻ZrB2再结晶长大, 这双重作用随 k增加而增强;

2) 粉体大部分为小尺寸颗粒与少量较大尺寸颗粒共存, 这是由于ZrB2形成初期较短时间内表面液相NaCl增强ZrB2结晶长大, 而后较长时间其固相抑制ZrB2结晶长大;

3) NaCl为燃烧合成反应提供了液态反应介质, 促进反应过程中的质量传输, 提高了ZrO2的转化率。

The authors have declared that no competing interests exist.

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