碳还原法制备鹏化工粉体的原理和特点

碳还原法制备鹏化工粉体的原理和特点：一般来讲，碳还原法所采用的还原剂大多数为碳或者碳化硼与氧化锆反应，其化学方程式分别为：

ZrO2+B2O3+5C=ZrB2+5CO↑(2-1)

2ZrO2+B4C+3C=2ZrB2+4CO↑(2-2)

Zr(ZrH4、ZrC)+B4C(+B2O3)→ZrB2+CO (2-3)

加入B2O3的目的是降低产物中碳化物的含量。比较常用的方法是在碳存在的情况下用金属氧化物同碳化硼作用，制备硼化物，在碳管炉中(如在H2气氛中需1800℃，如在真空气氛中需1700—1800℃)进行。在1995年H．Zhao[13]等对

ZrO2+B4C+C体系的热动力学计算和实验上的仔细研究，发现该反应在低温阶段(1400℃左右)按照硼化反应:

ZrO2+5/6B4C→ZrB2+2/3B2O3+5/6C (2-4) 进行，在高温阶段(1600℃)按碳化反应：

ZrO2+B2O3+5C=ZrB2+5CO↑(2-5) 进行。在这个反应体系中，由于受中间产物B2O3的汽化，反应前需掺加过量的B4C以弥补B的损失而得到高纯的ZrB2粉末。如果合成温度越高，保温时间越长，氧和碳的含量都会降低，但是合成粉末的粒度会长大。所以选择合适的合成温度和保温时间对制备高纯超细的ZrB2粉末来说很重要。

现代利用碳还原法合成硼化锆的主要是用氧化锆还原硼化的方法，还原剂可用碳或碳化硼(B4C)。用碳化硼比用碳好，因为用碳还原合成硼锆，作为硼的来源是硼酐，不管是采用电弧熔融合成或者固相反应合成工艺，由于硼酐沸点很低，1000℃以上就大量挥发，致使合成的硼化锆化学组成波动很大，并且熔融法的温度高，电熔速度极快，会造成石墨电极和石墨坩埚对产品的严重玷污，还可能产生大量的副产物碳化锆。而用碳化硼做还原剂，就可以制备出ZrB2的单相产物，其反应式为：

3ZrO2+B4C+8C+B2O3=3ZrB2+9CO↑(2-6) 由于碳化硼不易挥发，从而可以正确配方，工艺稳定，出料率也高，所以多用它

作还原剂，在碳管炉中固相反应合成硼化锆。

利用碳还原法制备硼化锆粉体，优点在于成本低廉，工艺简单，并且能够制得纯度较高的目标粉体。同时也是目前工业上大多使用的方法之一[20]。

2.2.2 碳还原法制备硼化锆粉体的主要步骤：

①称量。按计划进行原料配比，准确称取B4C、C、ZrO2、B2O3、酒精等原料，分别编号。

②混料。将称量好的原料依次倒入研磨罐中，盖好研磨盖，然后将研磨罐放在球磨机上充分研磨24h。

③干燥。将球磨好的原料倒入干燥的托盘中，然后放入干燥箱中干燥24h，干燥温度设在50℃；并要将研磨罐清洗干净，放于干燥箱中干燥，设定温度在50℃。待原料干燥好之后，装入样品袋中，以备成型。

④成型。将不同编号的原料分别称取一定的量，用油压千斤顶压制成φ30mm 的圆片每组各四个，并编号为××-1、××-2、××-3、××-4备用。

⑤真空条件下烧成。真空条件，将压制成型的样品圆片进行烧结。分别取烧结温度为1300℃、1400℃、1450℃、1550℃、1650℃、1850℃。

⑥后期处理。出炉后，用砂纸或抹布对试样表面进行清洁处理。

⑦性能测试。取样进行XRD、SEM等分析。

2.2.3 技术路线：

图2.1 技术路线图

2.2.4 注意事项：

（1）称量样品前确保烧杯等物品已经烘干完毕，避免和水分接触。

（2）烘干后的样品用密封袋密封起来，避免和氧气接触。

（3）烧制样品时，及时记录实验数据。

2.3 试样的制备：

按摩尔数比二氧化锆：氧化硼：碳化硼：活性炭=3:1.2:1.2：（7、8、9）进行原料配比，总重为130g。无水乙醇和研磨球的质量分别为156g和520g。

2.4 烧成制度：

将制得的样品分别在1300℃、1400℃、1450℃、1550℃、1650℃、1850℃下煅烧，保温1.5h。在1450℃煅烧保温1h、2h各一组，对比比较。