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CaB6是一种重要的陶瓷材料,由于它的高硬度,低密度,耐酸碱性和较高的中子吸收能力而具有广泛的应用前景。本文采用镁热还原自蔓延法制备CaB6粉末并对燃烧产物进行了焙烧处理,从热力学角度分析反应的绝热温度、反应自由能及初始条件对合成的影响,实验研究了合成初始条件及燃烧产物的焙烧处理对产物的相组成、结构、纯度和产率的影响,并借助于XRD、SEM和激光粒度仪分析了产物的相组成、形貌和粒度分布。
热力学计算表明;CaO-B2O3-Mg反应体系的绝热温度Tad>2000K,故可采用镁热还原自蔓延法制备CaB6粉末;CaO-B2O3-Mg体系在平衡条件下反应10Mg+CaO+3B2O3=CaB6+10MgO的标准吉布斯自由能有较大的负值,生成CaB6和MgO的趋势较大。DTA分析表明;该体系起始反应温度在630℃附近,CaO-B2O3-Mg三相反应温度在800℃附近,反应属于固—固,液—固反应机制;根据反应体系的DTA曲线计算反应过程的动力学参数,反应Mg-CaO的表观活化能E=15.05kJ·mol-1,反应级数n=1.0;反应Mg-B2O3的表观活化能E=14.88kJ·mol-1,反应级数n=0.8;反应Mg-B2O3-CaO的表观活化能E=15.71kJ·mol-1,反应级数n=1.1。
实验研究发现,在空气中进行该自蔓延反应时并不生成氮化物,该方法可以代替氩气保护条件下的工艺,这种方法为实现CaB6粉末的工业化生产提供了基础。
分析不同热爆模式对SHS反应的影响,两种热爆模式下生成的产物相主要有MgO、CaB6以及少量的Mg3B2O6和Ca3B2O6,热爆模式对产物组成没有影响,只是在反应现象上直接起爆比恒温起爆反应剧烈;考察控制温度对恒温起爆的影响,700℃时是体系热爆反应的适宜温度。
通过燃烧产物的焙烧处理实验表明:焙烧温度在800℃时,保温处理2小时,浸出后的CaB6的纯度最高,CaB6纯度达89%。
不同阶段浸出产物的XRD分析、化学定量分析和浸出产物的微观结构的分析表明:浸出剂的种类对产物的微观形貌没有影响,随着焙烧条件的不同浸出产物的微观形貌有所变化。