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碳化硼、氮化硼均是非常重要的非金属材料,具有优良的力学、热学及电学性能,在军事、微电子学、核物理、空间技术等高科技领域具有广阔应用前景。碳热还原法是制备碳化硼、氮化硼陶瓷粉末的重要方法。降低硼源和碳源的粒度、提高混合均匀度可以有效降低该方法的反应条件,改善粉末性能。本论文尝试通过低温燃烧法制备硼源和碳源均匀混合的前驱物,再进行碳热还原法,制备出碳化硼、氮化硼粉末。论文研究了低温燃烧过程的影响因素,分析了碳热还原反应的机理,对合成粉末进行了表征,为低温燃烧法制备非氧化物陶瓷粉末奠定了理论和技术基础。
试验以硼酸为硼源,硝酸为氧化剂,尿素为还原剂(燃料),葡萄糖为有机碳源低温燃烧制备出前驱物。采用TG/DTA分析发现,混合溶液加热时发生了低温燃烧反应,产生了热量,放出了气体。采用XRD分析发现,贫燃料体系中,前驱物为硼酸和无定形碳;富燃料体系中,前驱物为硼酸胺和无定形碳,还可能含有硼酸和硝酸铵。采用SEM分析发现,溶液中硼碳比的增加会造成燃烧困难,前驱物粒径从1μm增大至50μm以上;增加尿素添加量可以提高气体的放出量,促使前驱物颗粒更加细小;按照合适的原料摩尔比例可以制备出颗粒呈片状,粒径约为1μm的前驱物粉末。
试验以低温燃烧制得的前驱物为原料,在氩气气氛下碳热还原制备出碳化硼粉末。研究结果表明,碳化硼粉末含有少量残留碳;粉末颗粒分为圆形和针状两种形貌,分别是液-固反应和气-固反应的产物;随着原料中摩尔量比值H3BO3/C6H12O6的增大,碳化硼颗粒粒径明显增大;10Mpa压力压样可以有效减少硼源的损失。
试验以低温燃烧制得的前驱物为原料,在氮气气氛下碳热还原氮化制备出氮化硼粉末。研究结果表明,氮化硼粉末为六方氮化硼(h-BN),不含原料碳、硼酸和中间产物碳化硼;氮化硼颗粒为球形,粒径约为0.5μm;随温度的增加,反应程度增加,1500℃时反应完全。