熔盐法合成非氧化物陶瓷粉体

非氧化物陶瓷材料一般是指以B、C、N等为主的金属化合物和非金属化合物。由于其具有高熔点、高强度及优良的抗侵蚀性、抗热震性等特点在冶金、化工、机械、航空航天、军事、能源等行业有广泛的应用前景。

粒度细、纯度高、表面活性好的粉体是制备性能优异的非氧化物陶瓷的基础。非氧化物陶瓷粉体的合成方法主要有金属元素反应法、碳热还原法、溶胶-凝胶法、化学气相反应法、溶剂热合成法等，采用这些方法合成非氧化物陶瓷粉体的优缺点对比如表1所示：

表1 非氧化物陶瓷粉体制备的优缺点

与表1所示的各种方法相比，熔盐法的主要优点有：合成温度较低，反应时间较短；合成的粉体粒径细小，纯度高且结构可控；反应过程简单，易于控制；无需特殊设备，成本低，易于工业化生产。

近年来，采用熔盐法制备非氧化物陶瓷粉体的研究逐渐成为热点。本文简要综述了近年来熔盐法在合成非氧化物陶瓷粉体方面的研究进展。

1 熔盐法简介

1.1熔盐法原理

所谓熔盐法，就是在反应体系中加入熔点相对较低且不与反应物作用的盐类，当反应温度超过这些盐类的熔点时，熔盐为目标产物的合成提供液相环境；当反应结束、温度降至室温后，用合适的溶剂将熔盐洗涤过滤去除，干燥后得到目标产物粉体的合成工艺。

熔盐在反应过程中的主要作用有两点：一方面是作为反应物的溶剂；另一方面是用作反应介质。根据反应物在液态盐中的溶解与扩散情况的不同可将熔盐法的反应机制概括为以下两种：

（1）模板合成机制。如图1（a）所示，组分B在熔盐中的溶解度大于组分A，这样B溶解后会扩散到A的表面并反应生产产物C。

（2）溶解-析出机制。如图1（b）所示，组分A和B在熔盐中都有一定的溶解度，两者以分子或原子态混合并反应得到产物D。

图1 熔盐法机制图

1.2熔盐的选择原则

盐的种类对熔盐法所制备粉体的形貌和性质有着非常大的影响，在选择所用盐的种类时，通常需要遵循以下原则：

（1）应具有尽可能低的熔点和尽可能高的沸点；

（2）应具有尽可能小的粘滞性，以利于溶质和能量的输运；

（3）反应物在熔盐法中应具有足够大的溶解度；

（4）应易溶于对产物无腐蚀作用的某种液体溶剂中，如水、酸或碱性溶液等；

（5）在产物中的固溶度应尽可能小，避免熔盐作为杂质进入产物；

（6）在尽可能宽的温度范围内，不会形成稳定的杂质相；

（7）应具有很小的挥发性，无腐蚀性和毒性。

2 熔盐法合成非氧化物陶瓷粉体的研究

近年来，利用熔盐法合成碳化物、氮化物及硼化物等非氧化物陶瓷粉体的研究逐渐成为本领域研究的一个热点，综合部分研究人员的实验结果可获得以下阶段性总结：

2.1.1一维碳化物基碳化物粉体

由于碳材料具有在熔盐介质中不溶解的特性，通过模板合成机制，采用熔盐法制备的一维碳化物粉体具有与碳模板材料形貌相同、合成温度低以及反应时间短等优点。

2.1.2碳化物涂层

炭素材料普遍存在抗氧化性差、亲水性不佳等问题，进而影响其在耐火材料及高温陶瓷等领域的应用。在碳材料表面涂覆一层亲水性好并且具有良好抗氧化性能的碳化物是有效的途径之一。

熔盐法在碳化物涂层的制备上显示出无可比拟的优势，其提供的液相环境能使Si、Ti及Ta等元素在碳材料表面均匀分布，继而通过表面原位反应制得光滑完整的碳化物涂层。但是当涂层太厚时，涂层与基体间会产生间隙，两者间的结合强度下降，导致涂层发生断裂、脱落现象；而当涂层太薄时，又无法起到有效保护碳基体的作用。因此，采用熔盐法在碳材料表面涂层的关键是熔盐的选择及熔盐工艺参数的控制，并在此基础上制备出厚度合适的碳化物涂层。

2.3氮化物

尽管有研究人员成功尝试过用熔盐法制备氮化物陶瓷粉体，但是目前关于该法制备氮化物的报道还是很少，其研究面临最大的问题是缺少合适的氮源。由于常规的含氮物质在温度升高时易分解成含氮气体流失，故氮化物的熔盐制备一般选用N2作为氮源，但是N2与熔盐介质中的反应物难以充分接触，无法充分发挥熔盐法的优势。因此，采用熔盐法制备氮化物的关键是找到价格低廉、反应活性高且在较高温度下不会分解的含氮物质作为氮源，或者如何保证熔盐介质中的含氮物质在高温下不流失。

2.3 硼化物

采用熔盐法合成硼化物的研究虽有但少。总结起来合成硼化物（MB2）粉体的方法主要有三类：

1）金属单质与硼单质直接化学反应合成；

2）金属氯化物与硼氢化物直接反应合成；

3）金属氧化物、含硼化物以及还原剂共同反应合成。

这三种工艺均为固-固反应，都存在着原料混合不均的问题。而熔盐法所提供的液相环境可实现原料在分子级或原子级上的充分混合，从动力学上极大地降低了反应所需的能量。该法在制备硼化物的应用前景上还是很可观的。

3 总结

熔盐法提供的液相反应环境有效解决了固-固反应所面临的扩散路径长的问题，故可以有效地降低反应温度，缩短反应时间。所制备的非氧化物陶瓷粉体的粒径可低至亚微米级甚至纳米级，且分布均匀，纯度较高，团聚程度低。当前，采用熔盐法制备碳化物陶瓷粉体的研究已经较多，但关于氮化物和硼化物的研究还很少。