六方氮化硼的制备及其生成机理研究

发布时间：2017-10-04 12:22

  本文关键词：六方氮化硼的制备及其生成机理研究

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【摘要】：六方氮化硼具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性好等优异性能,是一种发展潜力巨大的新型功能陶瓷材料,在冶金、润滑剂、电子工业、航空航天等领域都有重要的应用。目前合成氮化硼的方法有硼砂-尿素法、硼砂-氯化铵法、硼砂-三聚氰胺法等传统高温法,以及化学气相沉积法、高频等离子法、先驱体法等新型合成方法。由于新型合成方法设备要求高、原料价格昂贵、原料毒性等原因,均无法形成规模化生产,当前国内市场的氮化硼粉体主要由传统高温法生产。传统高温法原料价格低,工艺简单,适合大规模生产。同时,也存在一些亟待解决的问题,如产率较低,且一般在氨气气氛下合成,粗品洗涤液为稀盐酸,反应过程中氨气的使用给安全生产带来一定的不利,稀盐酸的大量使用不符合绿色环保的生产理念。本课题以硼砂-尿素法为研究对象,利用氮气气氛代替氨气气氛,采用热水洗涤方式代替传统的酸洗,从制备工艺到反应机理进行了全面的研究,主要得到以下研究成果：(1)以氮化硼的产率、纯度、结晶性为主要考察标准,通过单因素实验确定了最佳的制备条件,包括硼砂/尿素摩尔比、焙烧温度和保温时间；通过洗涤实验确定了最佳的洗涤条件,包括液固比、洗涤温度和洗涤时间。最后对工艺的稳定性进行了验证。最佳制备条件：硼砂/尿素摩尔比1：4,焙烧温度1300℃,保温时间4 h；最佳洗涤条件：洗涤介质为水,液固比20：1,洗涤温度85℃,洗涤时间1 h。最佳工艺条件下氮化硼技术参数为：产率45～48%,纯度95～98%,单片颗粒直径300～500nm,粒度3～5μm,比表面积～13 m~2/g。(2)利用热重-差示扫描量热法(TG-DSC)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)和电感耦合等离子体发射光谱(ICP)等表征手段对硼砂-尿素法合成氮化硼的过程机理进行了分析。研究表明,前期焙烧过程中氨气的大量挥发、以及含氮副产物(三聚氰酸、异氰酸钠等)的生成是导致氮元素利用率低的原因；副产物偏硼酸钠的生成导致参与氮化硼生成的硼元素大大减少,是氮化硼产率低的主要原因。偏硼酸钠虽然为反应副产物,但在高温条件下可促进氮化硼的结晶过程,提高其结晶度。(3)提出了两段焙烧工艺,并验证了其可行性。此工艺实现了氮化硼、偏硼酸钠联产,提高了原料的利用率,并可减少对设备的损耗。
【关键词】：硼砂 尿素 六方氮化硼 工艺 过程机理 偏硼酸钠 结晶 两段焙烧
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景10-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 硼砂-氯化铵法12
• 1.2.2 硼砂-尿素法12
• 1.2.3 硼砂-三聚氰氨法12
• 1.2.4 硼酸-尿素法12-13
• 1.2.5 高频等离子法13
• 1.2.6 水热法13
• 1.2.7 化学气相沉积法13-14
• 1.2.8 前驱体法14
• 1.2.9 模板法14-15
• 1.2.10 六方氮化硼合成的相关机理15-16
• 1.3 研究内容与意义16-17
• 1.3.1 研究内容16
• 1.3.2 课题意义16-17
• 1.4 实验设备、药品17-18
• 1.4.1 实验设备17-18
• 1.4.2 实验药品18
• 1.5 研究方法18-20
• 1.5.1 工艺研究18-19
• 1.5.2 机理研究19-20
• 第2章 硼砂-尿素一步法制备六方氮化硼工艺研究20-40
• 2.1 硼砂脱水实验20-21
• 2.2 压片实验21-22
• 2.3 焙烧温度实验22-24
• 2.4 保温时间实验24-25
• 2.5 硼砂/尿素摩尔比实验25-27
• 2.6 洗涤实验27-32
• 2.6.1 洗涤温度实验27-28
• 2.6.2 液固比实验28
• 2.6.3 洗涤时间实验28-29
• 2.6.4 洗涤介质比较29-30
• 2.6.5 水洗实验条件优化30-32
• 2.7 工艺稳定性验证32-37
• 2.7.1 温度允许波动范围考察32-33
• 2.7.2 保温时间允许波动范围考察33-35
• 2.7.3 原料比例允许波动范围考察35-37
• 2.8 本章小结37-40
• 第3章 硼砂-尿素反应机理研究40-58
• 3.1 尿素变化过程分析40-48
• 3.1.1 硼砂与尿素混料热分析40-41
• 3.1.2 挥发尿素的测定41-42
• 3.1.3 挥发氨气量的测定42
• 3.1.4 异氰酸钠的产生及变化过程42-45
• 3.1.5 尿素焙烧中间物与硼砂反应情况分析45-47
• 3.1.6 硼砂与尿素反应中间体焙烧制备氮化硼47-48
• 3.2 硼砂相变过程分析48-51
• 3.2.1 单相硼砂焙烧实验48-49
• 3.2.2 偏硼酸钠的产生、变化过程49-51
• 3.3 氮化硼的生成及结晶过程51-54
• 3.3.1 氮化硼的生成过程52
• 3.3.2 氮化硼的结晶过程52-54
• 3.4 温度及硼砂/尿素摩尔比对氮化硼比表面积的影响54-55
• 3.5 硼砂与尿素低温焙烧样品氮元素分析55-56
• 3.6 本章小结56-58
• 第4章 两段焙烧工艺研究58-66
• 4.1 两段焙烧工艺的提出58-61
• 4.1.1 偏硼酸钠产生量的计算58-60
• 4.1.2 促使硼砂完全反应尿素量的确定60-61
• 4.2 两段焙烧实验61-62
• 4.3 偏硼酸钠对氮化硼结晶过程的影响62-64
• 4.3.1 石墨化62-63
• 4.3.2 偏硼酸钠对氮化硼结晶过程的影响63-64
• 4.4 本章小结64-66
• 结论66-68
• 附录68-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间所发表的论文74-76
• 个人简历76-78
• 致谢78

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本文编号：970654