способ получения порошкообразного диборида циркония

Формула изобретения

1. Способ получения порошкообразного диборида циркония путем взаимодействия в плазменном водородсодержащем теплоносителе тетрахлорида циркония, галогенида бора и водорода с последующим выделением целевого продукта из пылегазовой смеси, отличающийся тем, что взаимодействию с водородом подвергают распыленный единый раствор тетрахлорида циркония и галогенида бора в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс осуществляют при следующем мольном соотношении компонентов: тетрахлорид циркония : галогенид бора : органический растворитель : водород = 1:(2,05-2,60):(12-14):(60-85).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству жаро- и радиационностойких материалов на основе циркония, в частности к производству его диборида. Способ может быть применен для получения диборида циркония, обогащенного одним из изотопов бора.

Известен способ получения тонкоизмельченных порошков боридов, карбидов, силицидов, нитридов и сульфидов металлов III-V групп Периодической системы элементов путем смешения их газообразных соединений с газообразными источниками бора, углерода, кремния, азота или серы соответственно и водородом и инициированием взаимодействия путем нагрева смеси до температуры реагирования [Патент США №3979500, МКИ С01В 35/04, опубл. 07.09.1976].

Недостатками способа являются низкая скорость перемешивания реагентов в газовой фазе и возможность отложения твердых продуктов взаимодействия на поверхности внутренних стенок смесительной камеры и реактора.

Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является способ получения порошков боридов тугоплавких металлов [Патент США №4233277, МКИ СO1В 35/04, опубл. 11.11.1980]. Указанным способом получают бориды титана, циркония или гафния путем раздельного введения потоков хлорида выбранного металла и галогенида бора в поток водорода, нагретого в плазмотроне.

Недостатком прототипа является сложность обеспечения постоянства качества диборида циркония из-за сложности обеспечения постоянного соотношения вводимых во взаимодействие реагентов при их раздельной подаче в реактор.

Задачей изобретения является обеспечение постоянства качества целевого продукта.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения порошкообразного диборида циркония путем взаимодействия в плазменном водородсодержащем теплоносителе тетрахлорида циркония, галогенида бора и водорода с последующим выделением целевого продукта из пылегазовой смеси, взаимодействию с водородом подвергают распыленный единый раствор тетрахлорида циркония и галогенида, а именно трифторида или трихлорида бора в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол.

Процесс осуществляют при мольном соотношении компонентов тетрахлорид циркония: галогенид бора: органический растворитель: водород = 1:(2,05-2,60):(12-14):(60-85).

Приготовление единого раствора галогенидов бора и циркония в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол, и введение этого раствора в распыленном виде в поток водорода, нагретого в плазменном нагревателе, обеспечивает постоянство качества целевого продукта, обусловленное постоянством его химического состава, поскольку в растворах все компоненты распределены между собой однородно на молекулярном уровне.

Отклонения во взаимодействующей смеси соотношения реагентов в сторону снижения их содержания по отношению к тетрахлориду циркония приводит к снижению выхода диборида циркония.

Превышение содержания галогенида бора выше 2,60 молей на 1 моль тетрахлорида циркония приводит к его непроизводительным потерям из-за уноса с отходящими газами непрореагировавшего соединения бора.

Превышение содержания органического растворителя, выбранного из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол, приводит к загрязнению целевого продукта углеродом.

Введение водорода в повышенном от заявляемых пределов количестве также приводит к снижению выхода целевого продукта и ухудшению его качества.

Способ осуществляется следующим образом.

Готовят единый раствор тетрахлорида циркония и галогенида (трифторида или трихлорида) бора в органическом растворителе, выбранном из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол, при заданном соотношении компонентов. Этот раствор подают с заданным расходом в плазмохимический реактор, в котором он через форсунки распыляется в поток смеси водорода с аргоном, нагретой до состояния низкотемпературной плазмы. При этом мольное соотношение всех взаимодействующих реагентов составляет: тетрахлорид циркония: галогенид бора: органический растворитель (выбранный из ряда: тетрахлорметан, метилендихлорид, дихлорэтан, монохлорбензол, анизол): водород = 1:(2,05-2,60):(12-14):(60-85) соответственно. Образующуюся при взаимодействии пылегазовую смесь направляют в систему пылеулавливания для выделения диборида циркония. Выход его составляет 99,1-99,6% от теоретически возможного. Содержание в нем углерода и других примесей не превышает 0,6%. Размер частиц порошка не превышает 300 им. Отходящие газы, содержащие смесь метана, моноксида углерода, фтористого, хлористого и элементарного водорода, направляют на утилизацию.

В таблице приведены результаты опытов по получению порошкообразного диборида циркония с использованием заявляемых галогенидов бора и растворителей при различных соотношениях используемых компонентов.

Таблица.
№	Галогенид бора	Растворитель	Мольное соотношение: ZrCl2 : BF3 (BCl3): растворитель: Н2	Выход ZrB 2, % от теоретич.	Содержание в ZrB 2 примесей, % мас.
1	BCl3	Тетрахлорметан	1:2,12:12,1:64	99,6	0,4
2	BCl3	Тетрахлорметан	1:2,55:14,0:80	99,5	0,5
3	BF3	Тетрахлорметан	1:2,60:13,0:70	99,5	0,5
4	BF3	Тетрахлорметан	1:2,56:13,6:76	99,1	0,6
5	BCl3	Метилендихлорид	1:2,10:12,3:65	99,3	0,6
6	BCl3	Метилендихлорид	1:2,50:13,8:74	99,5	0,5
7	BF3	Метилендихлорид	1:2,13:12,0:60	99,1	0,6
8	BF3	Метилендихлорид	1:2,46:14,0:81	99,4	0,6
9	BCl3	Дихлорэтан	1:2,05:12,2:64	99,5	0,5
10	BCl3	Дихлорэтан	1:2,52:13,6:82	99,4	0,4
11	BF3	Дихлорэтан	1:2,12:12,4:67	99,2	0,6
12	BF3	Дихлорэтан	1:2,48:12,1:80	99,5	0,5
13	BCl3	Монохлорбензол	1:2,10:12,3:62	99,4	0,6
14	BCl3	Монохлорбензол	1:2,05:12,1:85	99,5	0,5
15	BF3	Монохлорбензол	1:2,20:12,1:63	99,1	0,1
16	BF3	Монохлорбензол	1:2,56:13,9:84	99,3	0.6
17	BCl3	Анизол	1:2,17:12,4:68	99,5	0,5
18	BCl3	Анизол	1:2,54:13,0:85	99,5	0,5
19	BF3	Анизол	1:2,05:12,2:65	99,5	0,5
20	BF3	Анизол	1:2,58:13,9:82	99,6	0,4

В случае необходимости получения диборида циркония на основе одного из изотопов бора данный способ позволяет использовать промежуточный продукт технологического процесса разделения изотопов бора - раствор изотопнообогащенного трифторида бора в анизоле.