基于氧化石墨烯制备的纳米碳化硼及其性能研究
发布时间：2021-09-09 15:20
随着核能和核技术的飞速发展,用于辐射防护的高性能中子吸收材料的研究已成为核技术领域的重要课题。碳化硼（B4C）因具有高的中子吸收截面、中子俘获后产生的二次辐射能低、易于屏蔽等优越的性能,而成为重要的中子吸收材料。但碳化硼的烧结致密性差和断裂韧性差,将碳化硼纳米化与使用增韧剂相结合是目前有效的改善方法。氧化石墨烯（GO）具有层状结构,较大的比表面积和丰富的表面官能团可以为反应提供足够的活性位点并降低反应温度,且氧化石墨烯在陶瓷基体中良好的分散性可以提高陶瓷材料的力学性能。GO既可以作为碳源制备纳米B4C,提高材料的中子屏蔽性能,又可以在纳米B4C粉末中起到增韧的作用,改善碳化硼的烧结致密性与断裂韧性。因此,本论文以氧化石墨烯为碳源,分别与不同硼源反应制备纳米碳化硼,并对其相关性能进行了研究。主要研究内容如下:（1）以GO-B2O3体系为研究对象,通过碳热还原法制备纳米B4C。研究了碳硼摩尔比（C/B2O3=1.25...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳化硼的（a）菱形晶体结构和（b）晶体结构图
西南科技大学硕士学位论文6图1-2B-C相图Fig.1-2Boron-Carbonphasediagram1.2.2碳化硼的性能碳化硼中碳和硼以共价键方式结合，共价键分数高达90%以上，这种独特的结合方式赋予了碳化硼许多优异的物理化学性能，使得它在抛光、高温工程陶瓷、耐腐蚀器件、轻型装甲、辐射防护材料等领域有着广泛的应用。（1）物理和力学性能碳化硼具有极高的硬度，其维氏硬度30~37GPa，仅次于金刚石和立方氮化硼，可以将其用做抛光和水射线切割的磨料粉末。此外，由于B4C的硬度会随着温度的增加而增强，使得其可以作为高温耐磨材料使用[33]。碳化硼的理论密度低于其他陶瓷材料，仅为2.52g/cm3，可用于轻型装甲的制造。碳化硼的熔点很高（2450K）可用于高温工程陶瓷领域。此外，碳化硼还具有高弹性模量、低膨胀系数和优异的热电性等特点。碳化硼的最大缺点是断裂韧性差，如何改善碳化硼的断裂韧性引起研究学者的广泛关注。（2）化学性能碳化硼是一种非常稳定的化合物，在常温下不会被氧气氧化，不和卤族气体反应，不会和酸碱溶液反应，也不受到热HNO3、HF的腐蚀。仅在HF-H2SO4和HF-H2SO4-HNO3的混酸溶液中有轻微分解。在较高温度下，碳化硼表面会发生氧化形成氧化硼薄膜，进而终止氧化反应的继续进行。因此，碳化硼可以在金属和碳化物中起到防氧化的作用。（3）中子吸收性能碳化硼具有优越的热中子吸收性能，这得益于碳化硼中的10B。10B的热中子吸收截面高达3837Bam，吸收热中子后产生能量仅为0.478MeV的γ辐射，很容易就可以将其屏蔽[6]。而且碳化硼的价格低廉，使用之后产生的废料处理方便。因此，B4C可以广泛应用于辐射屏蔽领域。1.2.3碳化硼的制备方法国内外已经有多种碳化硼粉末的制备方法，这些方法中有一些适用于碳化硼的商
西南科技大学硕士学位论文8图1-3不同放大倍率下的三维纳米网状结构碳化硼SEM图Fig.1-3SEMimagesofthree-dimensionalnano-networkboroncarbideatdifferentmagnifications（2）自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法（Self–propagationHigh–temperatureSynthesis，简称SHS）是将氧化硼粉体、碳粉和Mg粉或Al粉均匀混合后压成胚体，在Ar气氛围中点燃反应，最后将获得的粉末样品进行酸洗即可得到B4C粉末。SHS合成B4C的过程中大多以Mg粉作为还原金属，因此又将其称为镁热还原法。具体的反应方程式如下：2B2O3+5Mg+C=B4C+5MgO+CO（1-5）该反应按照以下两个步骤进行：2B2O3+6Mg=4B+6MgO（1-6）4B+C=B4C（1-7）SHS具有传统制备方法无可比拟的优点，例如反应温度低、能耗孝操作简单、反应迅速和获得的B4C粉末粒径小等。但反应过程中产生的副产物MgO会残留在最终产物中，即使用热酸反复浸出也极难彻底去除[39]。Mohammad等[40]以石墨粉、镁粉和B2O3为原料通过60h的球磨和自蔓延合成法合成了平均粒径为10-80nm的B4C粉末。Berchmans等[41]使用Na2B3O7和石焦油作原料，加入适量的Ga金属作还原剂，在1000oC下反应5h得到晶粒尺寸为21~23nm的B4C粉体。张华宇等[42]通过Mg-B2O3-C体系合成了MgO-B4C，研究了压力对整个体系微观组织的影响并分析了反应原理。Atasoy等[43]通过Al-H3BO3-C体系，在1300oC下反应5h制备了纯度较高的B4C粉体。（3）激光诱导化学气相沉积法激光诱导化学气相沉积法（LICVD）是以激光为加热热源，诱发气体分子发生反应合成纳米粉末的技术。LICVD制备B4C的过程为，用强激光辐射含有硼元素和碳元素的混合气体（B2H6、BCl3、CHCl3等），随着反应温度急剧上升，混合气体中的B元素和C元素发生反应生成纳
【参考文献】：
期刊论文
[1]微波水热法制备ZnO-还原氧化石墨烯纳米复合材料及其光催化性能[J]. 邓兴红,伍水生,李代光,陶淳,易兵. 环境化学. 2020(02)
[2]我国能源结构优化研究现状及展望[J]. 杨英明,孙建东,李全生. 煤炭工程. 2019(02)
[3]核防护用中子吸收材料的研究现状[J]. 高晓菊,燕东明,曹剑武,王跃旗,李维民,孙素洁,曲发增. 陶瓷. 2016(11)
[4]以碳化细菌纤维素为碳源制备网状结构碳化硼[J]. 徐娟,李兆乾,王善强,段晓惠,裴重华. 西南科技大学学报. 2016(03)
[5]硼含量对含硼不锈钢组织和性能的影响[J]. 佴启亮,郑文杰,宋志刚,陈清明,丰涵. 钢铁研究学报. 2013(06)
[6]碳化硼粉末的制备方法[J]. 李蓓,简敏,王美玲,付道贵,邹从沛. 核动力工程. 2012(S2)
[7]含碳化硼的吸收和屏蔽中子辐射涂料的研究[J]. 黄益平,冯惠生,梁璐,徐姣,张卫江. 天津大学学报. 2011(07)
[8]高能射线及其屏蔽材料[J]. 刘显坤,刘颖,唐杰,涂铭旌,代君龙,李润东,胡春明. 金属功能材料. 2006(01)
[9]21世纪世界能源发展的10个趋势[J]. 孙晓仁,孙怡玲. 科技导报. 2004(05)
[10]自蔓延高温合成MgO-B4C微观组织研究[J]. 张化宇,韩杰才,赫晓东,杜善义,张宇民. 宇航材料工艺. 2000(02)
硕士论文
[1]碳化物增强铝合金防辐射屏蔽材料的制备及性能研究[D]. 李奎江.南华大学 2018
[2]铅硼聚乙烯复合材料的制备及性能研究[D]. 何潘婷.哈尔滨工业大学 2017
[3]B4C/Al中子吸收复合材料的制备、性能测试与蒙特卡罗模拟[D]. 戴龙泽.南京航空航天大学 2014
[4]银纳米结构/氧化石墨烯复合材料的制备及其电催化性能的研究[D]. 孙晚霞.北京化工大学 2013
[5]舰船核动力装置辐射防护研究[D]. 王琳.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3392327
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳化硼的（a）菱形晶体结构和（b）晶体结构图
西南科技大学硕士学位论文6图1-2B-C相图Fig.1-2Boron-Carbonphasediagram1.2.2碳化硼的性能碳化硼中碳和硼以共价键方式结合，共价键分数高达90%以上，这种独特的结合方式赋予了碳化硼许多优异的物理化学性能，使得它在抛光、高温工程陶瓷、耐腐蚀器件、轻型装甲、辐射防护材料等领域有着广泛的应用。（1）物理和力学性能碳化硼具有极高的硬度，其维氏硬度30~37GPa，仅次于金刚石和立方氮化硼，可以将其用做抛光和水射线切割的磨料粉末。此外，由于B4C的硬度会随着温度的增加而增强，使得其可以作为高温耐磨材料使用[33]。碳化硼的理论密度低于其他陶瓷材料，仅为2.52g/cm3，可用于轻型装甲的制造。碳化硼的熔点很高（2450K）可用于高温工程陶瓷领域。此外，碳化硼还具有高弹性模量、低膨胀系数和优异的热电性等特点。碳化硼的最大缺点是断裂韧性差，如何改善碳化硼的断裂韧性引起研究学者的广泛关注。（2）化学性能碳化硼是一种非常稳定的化合物，在常温下不会被氧气氧化，不和卤族气体反应，不会和酸碱溶液反应，也不受到热HNO3、HF的腐蚀。仅在HF-H2SO4和HF-H2SO4-HNO3的混酸溶液中有轻微分解。在较高温度下，碳化硼表面会发生氧化形成氧化硼薄膜，进而终止氧化反应的继续进行。因此，碳化硼可以在金属和碳化物中起到防氧化的作用。（3）中子吸收性能碳化硼具有优越的热中子吸收性能，这得益于碳化硼中的10B。10B的热中子吸收截面高达3837Bam，吸收热中子后产生能量仅为0.478MeV的γ辐射，很容易就可以将其屏蔽[6]。而且碳化硼的价格低廉，使用之后产生的废料处理方便。因此，B4C可以广泛应用于辐射屏蔽领域。1.2.3碳化硼的制备方法国内外已经有多种碳化硼粉末的制备方法，这些方法中有一些适用于碳化硼的商
西南科技大学硕士学位论文8图1-3不同放大倍率下的三维纳米网状结构碳化硼SEM图Fig.1-3SEMimagesofthree-dimensionalnano-networkboroncarbideatdifferentmagnifications（2）自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法（Self–propagationHigh–temperatureSynthesis，简称SHS）是将氧化硼粉体、碳粉和Mg粉或Al粉均匀混合后压成胚体，在Ar气氛围中点燃反应，最后将获得的粉末样品进行酸洗即可得到B4C粉末。SHS合成B4C的过程中大多以Mg粉作为还原金属，因此又将其称为镁热还原法。具体的反应方程式如下：2B2O3+5Mg+C=B4C+5MgO+CO（1-5）该反应按照以下两个步骤进行：2B2O3+6Mg=4B+6MgO（1-6）4B+C=B4C（1-7）SHS具有传统制备方法无可比拟的优点，例如反应温度低、能耗孝操作简单、反应迅速和获得的B4C粉末粒径小等。但反应过程中产生的副产物MgO会残留在最终产物中，即使用热酸反复浸出也极难彻底去除[39]。Mohammad等[40]以石墨粉、镁粉和B2O3为原料通过60h的球磨和自蔓延合成法合成了平均粒径为10-80nm的B4C粉末。Berchmans等[41]使用Na2B3O7和石焦油作原料，加入适量的Ga金属作还原剂，在1000oC下反应5h得到晶粒尺寸为21~23nm的B4C粉体。张华宇等[42]通过Mg-B2O3-C体系合成了MgO-B4C，研究了压力对整个体系微观组织的影响并分析了反应原理。Atasoy等[43]通过Al-H3BO3-C体系，在1300oC下反应5h制备了纯度较高的B4C粉体。（3）激光诱导化学气相沉积法激光诱导化学气相沉积法（LICVD）是以激光为加热热源，诱发气体分子发生反应合成纳米粉末的技术。LICVD制备B4C的过程为，用强激光辐射含有硼元素和碳元素的混合气体（B2H6、BCl3、CHCl3等），随着反应温度急剧上升，混合气体中的B元素和C元素发生反应生成纳
【参考文献】：
期刊论文
[1]微波水热法制备ZnO-还原氧化石墨烯纳米复合材料及其光催化性能[J]. 邓兴红,伍水生,李代光,陶淳,易兵. 环境化学. 2020(02)
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[3]核防护用中子吸收材料的研究现状[J]. 高晓菊,燕东明,曹剑武,王跃旗,李维民,孙素洁,曲发增. 陶瓷. 2016(11)
[4]以碳化细菌纤维素为碳源制备网状结构碳化硼[J]. 徐娟,李兆乾,王善强,段晓惠,裴重华. 西南科技大学学报. 2016(03)
[5]硼含量对含硼不锈钢组织和性能的影响[J]. 佴启亮,郑文杰,宋志刚,陈清明,丰涵. 钢铁研究学报. 2013(06)
[6]碳化硼粉末的制备方法[J]. 李蓓,简敏,王美玲,付道贵,邹从沛. 核动力工程. 2012(S2)
[7]含碳化硼的吸收和屏蔽中子辐射涂料的研究[J]. 黄益平,冯惠生,梁璐,徐姣,张卫江. 天津大学学报. 2011(07)
[8]高能射线及其屏蔽材料[J]. 刘显坤,刘颖,唐杰,涂铭旌,代君龙,李润东,胡春明. 金属功能材料. 2006(01)
[9]21世纪世界能源发展的10个趋势[J]. 孙晓仁,孙怡玲. 科技导报. 2004(05)
[10]自蔓延高温合成MgO-B4C微观组织研究[J]. 张化宇,韩杰才,赫晓东,杜善义,张宇民. 宇航材料工艺. 2000(02)
硕士论文
[1]碳化物增强铝合金防辐射屏蔽材料的制备及性能研究[D]. 李奎江.南华大学 2018
[2]铅硼聚乙烯复合材料的制备及性能研究[D]. 何潘婷.哈尔滨工业大学 2017
[3]B4C/Al中子吸收复合材料的制备、性能测试与蒙特卡罗模拟[D]. 戴龙泽.南京航空航天大学 2014
[4]银纳米结构/氧化石墨烯复合材料的制备及其电催化性能的研究[D]. 孙晚霞.北京化工大学 2013
[5]舰船核动力装置辐射防护研究[D]. 王琳.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3392327
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