不同盐含量对燃烧合成硼粉纯度和粒度的影响及其作用机制
发布时间：2021-06-14 23:33
B粉在航空航天、国防军事、化学和冶金等领域的应用非常有前景,发挥着越来越重要的作用。B粉的性能主要其纯度和粒度有关,高纯度与小粒径,对进一步提高其使用性能具有重要意义。而B粉纯度和粒度与制备方法有关,通过改变制备方法的参数也会影响其性能。本文主要利用盐助燃烧合成法大规模制备无定形B粉的最佳工艺条件在（原料量1kg,Mg均过量10wt.%,物料成型压力都是45MPa）的前提下,加入并改变稀释剂KCl、MgCl2和NaCl加入量,采用盐助燃烧合成法制备出纯度更高,粒度更细的B粉。通过XRD、EDS、ICP、化学分析法、SEM、激光粒度分析仪、DSC和TEM等对制备的B粉进行表征,研究反应物料成型压力不同和过量不同Mg含量制备B粉确定其最佳工艺;再研究不同稀释剂KCl、MgCl2和NaCl加入量对制备B粉的物相、微观形貌、纯度和粒度的影响规律及作用机制。本文的主要内容和结果如下:1.在Mg-KCl-B2O3反应体系里:浸洗后的产物中,有目标产物B粉和少部分无法洗去的Mg3B2O6杂质。B粉是无定形的。随着KCl加入量从10%增加到50%,产物B粉的纯度是先升高后降低,当KCl含量为30%时,...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
熔融盐电解法的实验装置图[20,21]
不同盐含量对燃烧合成硼粉纯度和粒度的影响及其作用机制6现在的熔融盐电解方法尚未得到更进一步的发展利用，所以并不适用于工业化的生产。1.4.2硼烷裂解法硼烷裂解法的实验装置如图1.2所示。具体的实验方案：首先将石蜡油加入氢化反应器中，并加热温度缓慢提升至100℃。这时，将已经切好的金属Na放入反应容器中，并搅拌，继续加热到200℃后，不再加热，缓慢地通入H2，反应温度要保证低于300℃。完全反应之后，在反应器的构成部分：搅拌器和冷凝器里加进去所需要的NaH，然后往里边加入BF3·(C2H5)2O，一定要慢，然后生成了气态的B2H6产物。现有生产出的B2H6气体干燥并进行冷阱精制，然后将其送至石英玻璃的裂解炉中。B2H6如果在温度很高的时候会发生裂解，产生B粉。其反应原理的化学方程式如下所示：2Na+H2=2NaH(1.1)8BF3·(C2H5)2O+6NaH=6NaBF4+B2H6+8(C2H5)2O(1.2)B2H6=2B+3H2(1.3)图1.2硼烷裂解法的实验装置图虽然现阶段纯度很高的无定形的B粉可以通过使用硼烷裂解法制备出来，纯度在99.9wt.%以上，但是这个制备工艺所要求的生产环境特别的严格，中间产物为B2H6，是有剧毒，易燃易爆，无色的气体。此外，这种方法属于气相分解法[23]的范畴，B粉的产率很低，很难进行工业化的制备和生产。1.4.3氢热还原法这种方法所使用的反应原料是B和Br2(纯度83wt.%~90wt.%，浓度大于99.5wt.%)。具体的步骤如下：第一步合成。将真空电炉持续加热到950℃左右，然后将已经烘干的工业粗B和液体Br2加到高温加热的容器中，Br2发生汽化，在900~950℃高温下与B发生反应产生BBr3，如式(1.4)所示。然后冷凝后发生回流到收集瓶里。但是BBr3里仍然会有残留的
不同盐含量对燃烧合成硼粉纯度和粒度的影响及其作用机制8图1.3高能球磨法的实验装置图此方法又被称作机械合金化[24]，球磨机的进行剧烈旋转和振动来搅拌反应物料，反应物料和研磨球相互进行碰撞，然后将它们粉碎成颗粒，以增加接触面积。其反应机理有两种：第一种是界面原子发生逐步扩散的反应机理，这种机理中反应产物不取决于总体组成而是取决于扩散过程，并且产物通常处于不平衡状态；第二种是高能球磨过程中反应机理是自蔓延的，是因为物理上的相互碰撞来促使粉末来进行化学反应的，释放出大量的热量，并立即产生大量的产物。反应过程生产的产物是平衡化合物，因为反应释放的大量的热为形成平衡的物相创造出强有力的条件。不过因为整个过程中会出现很多缺陷需要弥补，应力应变使得产物结构被推离了平衡状态。所以通常只有具有不同的物理和化学性质的材料才能通过这种方法制备出来。2003年，Darvishi等人[25]先用SPEX8000球磨机制备B粉。同年，Ricceri和Matteazzi等人[26]也通过球磨制备B粉。2010年，SeifolazadehA和MohammadiS[27]通过球磨制备B粉。他们使用的实验装置就是这款SPEX8000球磨机。制备的B粉纯度粒度，未在文中提及。2014年，Mohammadi等人[28]最初用高能行星式球磨机合成纯度大于80wt.%，质量6.3g的B粉。如果比较其它制备的B粉工艺，高能球磨法是生产B粉的相对安全方法。它可以在室温下进行。高能球磨法可以细化B粉，平均粒径可以达到纳米级，最小可以到50nm；但是，该方法极其容易把杂质弄进来，制备出的B粉纯度太低，不足90wt.%，严重影响B粉的应用价值，因此不能满足实际的工业化生产。1.4.6金属热还原法镁热还原法是金属热还原法中应用于制备无定形B粉最具规模的一种方法[29]。早在1908年，盖伊·卢萨克和詹纳首先用钾还原
【参考文献】：
期刊论文
[1]提高硼粉的爆炸反应性研究[J]. 封雪松,田轩,徐洪涛,赵娟. 火工品. 2018(02)
[2]NaCl加入量对自蔓延高温燃烧合成法大规模制备的超细二硼化钛粉体性能的影响（英文）[J]. 喇培清,欧玉静,韩少博,卢学峰,魏玉鹏. 材料工程. 2015(07)
[3]稀释剂添加量对燃烧合成亚微米ZrB2微观组织的影响[J]. 喇培清,韩少博,卢学峰,魏玉鹏. 无机材料学报. 2014(02)
[4]铝热还原法制备硼粉[J]. 喇培清,卢学峰,申达,魏玉鹏,郭鑫. 粉末冶金材料科学与工程. 2012(06)
[5]镁热还原法制备超微细无定形硼粉[J]. 伍继君,马文会,张广立,翟玉春,杨斌,戴永年. 中国有色金属学报. 2007(12)
[6]SHS法制备硼化物陶瓷粉体的表征分析[J]. 于志强,杨振国. 航空材料学报. 2007(02)
[7]硼粉的包覆及含包覆硼推进剂燃烧残渣成分分析[J]. 庞维强,张教强,张琼方,胡松启,国际英. 固体火箭技术. 2006(03)
[8]硼粉改性对推进剂工艺性能的影响[J]. 唐汉祥,陈江,吴倩,李洪旭,周明川. 含能材料. 2005(02)
[9]自蔓延冶金法制备硼粉的基础研究[J]. 豆志河,张廷安,王艳利. 东北大学学报. 2005(01)
[10]自蔓延冶金法制备硼粉[J]. 豆志河,张廷安. 中国有色金属学报. 2004(12)
博士论文
[1]盐助燃烧合成超细B、LaB6和CeB6粉体及其形成机理和调控[D]. 欧玉静.兰州理工大学 2017
[2]自蔓延燃烧合成镍锌铁氧体及其机理研究[D]. 王建华.中北大学 2010
硕士论文
[1]电解法生产元素硼的研究[D]. 姜利霞.天津大学 2007
本文编号：3230440
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
熔融盐电解法的实验装置图[20,21]
不同盐含量对燃烧合成硼粉纯度和粒度的影响及其作用机制6现在的熔融盐电解方法尚未得到更进一步的发展利用，所以并不适用于工业化的生产。1.4.2硼烷裂解法硼烷裂解法的实验装置如图1.2所示。具体的实验方案：首先将石蜡油加入氢化反应器中，并加热温度缓慢提升至100℃。这时，将已经切好的金属Na放入反应容器中，并搅拌，继续加热到200℃后，不再加热，缓慢地通入H2，反应温度要保证低于300℃。完全反应之后，在反应器的构成部分：搅拌器和冷凝器里加进去所需要的NaH，然后往里边加入BF3·(C2H5)2O，一定要慢，然后生成了气态的B2H6产物。现有生产出的B2H6气体干燥并进行冷阱精制，然后将其送至石英玻璃的裂解炉中。B2H6如果在温度很高的时候会发生裂解，产生B粉。其反应原理的化学方程式如下所示：2Na+H2=2NaH(1.1)8BF3·(C2H5)2O+6NaH=6NaBF4+B2H6+8(C2H5)2O(1.2)B2H6=2B+3H2(1.3)图1.2硼烷裂解法的实验装置图虽然现阶段纯度很高的无定形的B粉可以通过使用硼烷裂解法制备出来，纯度在99.9wt.%以上，但是这个制备工艺所要求的生产环境特别的严格，中间产物为B2H6，是有剧毒，易燃易爆，无色的气体。此外，这种方法属于气相分解法[23]的范畴，B粉的产率很低，很难进行工业化的制备和生产。1.4.3氢热还原法这种方法所使用的反应原料是B和Br2(纯度83wt.%~90wt.%，浓度大于99.5wt.%)。具体的步骤如下：第一步合成。将真空电炉持续加热到950℃左右，然后将已经烘干的工业粗B和液体Br2加到高温加热的容器中，Br2发生汽化，在900~950℃高温下与B发生反应产生BBr3，如式(1.4)所示。然后冷凝后发生回流到收集瓶里。但是BBr3里仍然会有残留的
不同盐含量对燃烧合成硼粉纯度和粒度的影响及其作用机制8图1.3高能球磨法的实验装置图此方法又被称作机械合金化[24]，球磨机的进行剧烈旋转和振动来搅拌反应物料，反应物料和研磨球相互进行碰撞，然后将它们粉碎成颗粒，以增加接触面积。其反应机理有两种：第一种是界面原子发生逐步扩散的反应机理，这种机理中反应产物不取决于总体组成而是取决于扩散过程，并且产物通常处于不平衡状态；第二种是高能球磨过程中反应机理是自蔓延的，是因为物理上的相互碰撞来促使粉末来进行化学反应的，释放出大量的热量，并立即产生大量的产物。反应过程生产的产物是平衡化合物，因为反应释放的大量的热为形成平衡的物相创造出强有力的条件。不过因为整个过程中会出现很多缺陷需要弥补，应力应变使得产物结构被推离了平衡状态。所以通常只有具有不同的物理和化学性质的材料才能通过这种方法制备出来。2003年，Darvishi等人[25]先用SPEX8000球磨机制备B粉。同年，Ricceri和Matteazzi等人[26]也通过球磨制备B粉。2010年，SeifolazadehA和MohammadiS[27]通过球磨制备B粉。他们使用的实验装置就是这款SPEX8000球磨机。制备的B粉纯度粒度，未在文中提及。2014年，Mohammadi等人[28]最初用高能行星式球磨机合成纯度大于80wt.%，质量6.3g的B粉。如果比较其它制备的B粉工艺，高能球磨法是生产B粉的相对安全方法。它可以在室温下进行。高能球磨法可以细化B粉，平均粒径可以达到纳米级，最小可以到50nm；但是，该方法极其容易把杂质弄进来，制备出的B粉纯度太低，不足90wt.%，严重影响B粉的应用价值，因此不能满足实际的工业化生产。1.4.6金属热还原法镁热还原法是金属热还原法中应用于制备无定形B粉最具规模的一种方法[29]。早在1908年，盖伊·卢萨克和詹纳首先用钾还原
【参考文献】：
期刊论文
[1]提高硼粉的爆炸反应性研究[J]. 封雪松,田轩,徐洪涛,赵娟. 火工品. 2018(02)
[2]NaCl加入量对自蔓延高温燃烧合成法大规模制备的超细二硼化钛粉体性能的影响（英文）[J]. 喇培清,欧玉静,韩少博,卢学峰,魏玉鹏. 材料工程. 2015(07)
[3]稀释剂添加量对燃烧合成亚微米ZrB2微观组织的影响[J]. 喇培清,韩少博,卢学峰,魏玉鹏. 无机材料学报. 2014(02)
[4]铝热还原法制备硼粉[J]. 喇培清,卢学峰,申达,魏玉鹏,郭鑫. 粉末冶金材料科学与工程. 2012(06)
[5]镁热还原法制备超微细无定形硼粉[J]. 伍继君,马文会,张广立,翟玉春,杨斌,戴永年. 中国有色金属学报. 2007(12)
[6]SHS法制备硼化物陶瓷粉体的表征分析[J]. 于志强,杨振国. 航空材料学报. 2007(02)
[7]硼粉的包覆及含包覆硼推进剂燃烧残渣成分分析[J]. 庞维强,张教强,张琼方,胡松启,国际英. 固体火箭技术. 2006(03)
[8]硼粉改性对推进剂工艺性能的影响[J]. 唐汉祥,陈江,吴倩,李洪旭,周明川. 含能材料. 2005(02)
[9]自蔓延冶金法制备硼粉的基础研究[J]. 豆志河,张廷安,王艳利. 东北大学学报. 2005(01)
[10]自蔓延冶金法制备硼粉[J]. 豆志河,张廷安. 中国有色金属学报. 2004(12)
博士论文
[1]盐助燃烧合成超细B、LaB6和CeB6粉体及其形成机理和调控[D]. 欧玉静.兰州理工大学 2017
[2]自蔓延燃烧合成镍锌铁氧体及其机理研究[D]. 王建华.中北大学 2010
硕士论文
[1]电解法生产元素硼的研究[D]. 姜利霞.天津大学 2007
本文编号：3230440
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