原料对自蔓延高温合成ZrB2粉体的影响

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本文以金属镁粉、单斜氧化锆(ZrO2)、氧化硼(B2O3)、氯化镁(MgCl2)、无水硼砂(Na2B4O7)为原料,在Mg-ZrO2-B2O3体系最佳配比的基础上,研究了Mg-ZrO2-B2O3-MgCl2体系和Mg-ZrO2-B2O3-Na2B4O7体系自蔓延高温合成高纯ZrB2粉体的最佳原料配比及反应合成机理。利用FactSage软件计算了各原料体系自蔓延高温合成ZrB2粉体的热力学规律。通过X射线衍射仪(XRD)及可变真空热度场发射扫描电子显微镜(FESEM)-能谱能谱仪(EDS)分析产物物相组成,和产物的显微结构并进行化学成分分析。采用综合热分析(DSC-TG)探究了MgZrO2-B2O3-Na2B4O7体系合成ZrB2的反应机理。结果表明,Mg-ZrO2-B2O3体系的绝热燃烧温度为3097.91K,随着MgCl2添加量的增加,Mg-ZrO2-B2O3-MgCl2体系的绝热燃烧温度随之降低,但在添加量小于41wt.%之前,Mg-ZrO2-B2O3-MgCl2体系的绝热燃烧温度均大于1800K,符合Merzhanov提出的经验判据;在Mg-ZrO2-B2O3体系中,选用Na2B4O7逐步替换B2O3,与B2O3作为复合硼源时,Mg-ZrO2-B2O3-Na2B4O7体系的绝热燃烧温度随Na2B4O7替换量的增加而降低,替换量超过72 wt.%,体系绝热燃烧温度小于1800K,不符合Merzhanov提出的自持反应的经验判据;各体系内发生合成ZrB2反应的吉布斯自由能及反应焓在设定温度范围内均小于0。在ZrO2-Mg-B2O3体系中,加入过量的Mg、B2O3可有效提高产物中ZrB2的纯度,当过量Mg、B2O3分别为40 wt.%、30 wt.%时,产物中ZrB2的纯度最高。在此配比的基础上加入MgCl2可有效地降低产物的晶粒尺寸,但对于ZrB2纯度的提高,效果不是非常显著。在ZrO2-Mg-B2O3体系最佳配比的基础之上,选用Na2B4O7逐步替换B2O3,当Na2B4O7的替换率达到15 wt.%时,产物中的ZrB2的纯度最高,在ZrO2-Mg-B2O3-Na2B4O7的体系中,Na2B4O7不仅有效地减小了ZrB2的晶粒尺寸,还为ZrB2的合成提供硼源。随着Na2B4O7的增加,体系绝热燃烧温度随之降低,且产物的晶粒尺寸也有显著的减小。综合热分析的结果显示:Mg-ZrO2-B2O3-Na2B4O7体系的开始反应温度为625℃,并且在625℃-700℃之间存在较宽的放热峰,此体系发生强烈的放热反应,释放的热量可供Mg及Na2B4O7熔化。体系中存在大量的液相量,利于ZrO2转化为ZrB2,且生成的ZrB2晶粒在从液相中析出的过程中被熔盐Na2B4O7包裹,从而限制了ZrB2晶粒的生长。
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