CN101234898A

CN101234898A - 多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101234898A
Application number: CNA2008100640549A
Authority: CN
Inventors: 欧阳家虎; 刘占国; 周玉
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2008-08-06

Abstract

多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体材料及其制备方法，它涉及一种氧化锆基热障氧化物纳米粉体材料及其制备方法。它解决了现有技术中制备多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的方法存在工艺复杂、成本高、产率低的问题。其方法：一、将含Ln³⁺的溶液和含Zr⁴⁺的溶液混合后加表面活性剂搅拌，得混合溶液；二、向混合溶液中滴加沉淀剂，反应后得沉淀物；三、将沉淀物离心洗涤；四、离心洗涤后的沉淀物经烘干、球磨、煅烧后得多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体。本发明多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体材料及其制备方法，工艺简单、降低了成本、产率高达70％～95％。

Description

多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及氧化锆基热障氧化物纳米粉体材料及其制备方法。

背景技术

氧化锆粉体是一种重要的陶瓷原料，具有比表面积高、稳定性好的特点，用其制备的氧化锆陶瓷，具有高化学稳定性、高热稳定性、高断裂韧性、高离子电导率、高热膨胀系数和低热导率等，在生物医学材料、高温发热材料、结构材料、固体电解质材料和热障涂层材料等领域有着广泛的应用。纯的氧化锆有三种晶体形态：单斜相、四方相和立方相。它们之间的相互转化过程如下：

氧化锆单斜相与四方相之间的相变伴随着3％～5％的体积变化，这一晶型转变在氧化锆陶瓷的制备中可能引起材料开裂，使其应用受到限制，因此常将一些稳定剂掺杂到氧化锆中，得到稳定的氧化锆材料；目前应用的7～8wt.％Y₂O₃-ZrO₂粉体，制备成陶瓷材料后，在高温条件下相稳定性差。采用水热法制备多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体，但制备条件苛刻，成本高，产率低为20％～60％；也有采用溶胶-凝胶法和醇盐水解法制备多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体，但存在原料价格高、产率低为30％～60％、反应时间长的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中制备多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的方法存在工艺复杂、成本高、产率低的问题，而提供一种多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体材料及其制备方法。

本发明中多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的分子式为：Ln_xZr_1-xO_2-x/2，其中Ln＝Nd、Sm、Gd、Sc或Yb，0.05≤x≤0.50。

制备多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体按以下步骤实现：一、按比例将含5～50摩尔Ln³⁺的溶液和含50～95摩尔Zr⁴⁺的溶液混合搅拌，然后加入表面活性剂，搅拌1～5h得混合溶液；二、将混合溶液以5～100mL/min的速率滴加到沉淀剂中，反应时间为30～150min，得沉淀物；三、将沉淀物放入离心机中，用去离子水离心洗涤，然后用无水乙醇离心洗涤，离心机转速为2000～9000r/min；四、将离心洗涤后的沉淀物在50～150℃的条件下烘干，再球磨1～5h，然后在500～1000℃、空气气氛下煅烧2～6h，得多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体；步骤一中Ln³⁺为Nd³⁺、Gd³⁺、Sm³⁺、Sc³⁺、Yb³⁺中的一种或几种的组合；步骤一表面活性剂为吐温80、聚乙二醇400、聚乙二醇20000、聚乙烯醇中的一种或两种的组合，表面活性剂的加入量为0.005～0.1摩尔；步骤二沉淀剂为可溶性氢氧化物、可溶性碳酸盐、可溶性碳酸氢盐或氨水。

本发明中制备的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体，粒径为10～20nm，粒度分布均匀，分散性好；通过引入不同的稀土氧化物，增加了相稳定性；本发明制备工艺简单、流程少，所用原料价格低，降低了成本，产率高达70％～95％，可工业化生产。

附图说明

图1为具体实施方式十一中制备所得多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的透射电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的分子式为：Ln_xZr_1-xO_2-x/2，其中Ln＝Nd、Sm、Gd、Sc或Yb，0.05≤x≤0.50。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的粒径为10～20nm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的粒径为12～15nm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式制备多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体按以下步骤实现：一、按比例将含5～50摩尔Ln³⁺的溶液和含50～95摩尔Zr⁴⁺的溶液混合搅拌，然后加入表面活性剂，搅拌1～5h得混合溶液；二、将混合溶液以5～100mL/min的速率滴加到沉淀剂中，反应时间为30～150min，得沉淀物；三、将沉淀物放入离心机中，用去离子水离心洗涤，然后用无水乙醇离心洗涤，离心机转速为2000～9000r/min；四、将离心洗涤后的沉淀物在50～150℃的条件下烘干，再球磨1～5h，然后在500～1000℃、空气气氛下煅烧2～6h，得多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体；步骤一中Ln³⁺为Nd³⁺、Gd³⁺、Sm³⁺、Sc³⁺、Yb³⁺中的一种或几种的组合；步骤一表面活性剂为吐温80、聚乙二醇400、聚乙二醇20000、聚乙烯醇中的一种或两种的组合，表面活性剂的加入量为0.005～0.1摩尔；步骤二沉淀剂为可溶性氢氧化物、可溶性碳酸盐、可溶性碳酸氢盐或氨水。

本实施方式中Ln³⁺为两种或两种以上物质组成时按任意比混合；表面活性剂为两种物质组成时按任意比混合。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中Ln³⁺溶液中溶质为LnO₃、Ln(NO₃)₃·6H₂O、LnCl₃或Ln(CH₃COOH)₃·5H₂O。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中Zr⁴⁺溶液中溶质为ZrOCO₃·8H₂O、ZrO(NO₃)₂·2H₂O、ZrOCl₂·8H₂O或ZrO(CH₃COO)₂。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中按比例将含40摩尔Ln³⁺的溶液和含60摩尔Zr⁴⁺的溶液混合搅拌，然后加入表面活性剂，搅拌3h得混合溶液。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤二中将混合溶液以50mL/min的速率滴加到沉淀剂中，反应时间为80min。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

本实施方式反应过程中溶液的pH值为7～13。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤三中将沉淀物放入离心机中，用去离子水离心洗涤10～20次，然后用无水乙醇离心洗涤1～3次，离心机转速为5000r/min。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤四中将离心洗涤后的沉淀物在100℃的条件下烘干，再球磨3h，然后在800℃、空气气氛下煅烧4h。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式十一：本实施方式制备多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体按以下步骤实现：一、按比例将含50摩尔Nd³⁺的溶液和含50摩尔Zr⁴⁺的溶液混合搅拌，然后加入0.05摩尔吐温80，搅拌3h得混合溶液；二、将混合溶液以50mL/min的速率滴加到沉淀剂中，反应时间为60min，得沉淀物；三、将沉淀物放入离心机中，用去离子水离心洗涤15次，然后用无水乙醇离心洗涤2次，离心机转速为4000r/min；四、将离心洗涤后的沉淀物在80℃的条件下烘干，再球磨2h，然后在600℃、空气气氛下煅烧3h，得多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体。

本实施方式所得多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体，由图1中看出，多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的粒径为10～20nm，粒度分布均匀，分散性好；经测试产率高达95％。

Claims

1、多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体，其特征是多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的分子式为：Ln_xZr_1-xO_2-x/2，其中Ln＝Nd、Sm、Gd、Sc或Yb，0.05≤x≤0.50。

2、根据权利要求1所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体，其特征在于多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的粒径为10～20nm。

3、根据权利要求1所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体，其特征在于多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的粒径为12～15nm。

4、如权利要求1所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体按以下步骤制备：一、按比例将含5～50摩尔Ln³⁺的溶液和含50～95摩尔Zr⁴⁺的溶液混合搅拌，然后加入表面活性剂，搅拌1～5h得混合溶液；二、将混合溶液以5～100mL/min的速率滴加到沉淀剂中，反应时间为30～150min，得沉淀物；三、将沉淀物放入离心机中，用去离子水离心洗涤，然后用无水乙醇离心洗涤，离心机转速为2000～9000r/min；四、将离心洗涤后的沉淀物在50～150℃的条件下烘干，再球磨1～5h，然后在500～1000℃、空气气氛下煅烧2～6h，得多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体；步骤一中Ln³⁺为Nd³⁺、Gd³⁺、Sm³⁺、Sc³⁺、Yb³⁺中的一种或几种的组合；步骤一表面活性剂为吐温80、聚乙二醇400、聚乙二醇20000、聚乙烯醇中的一种或两种的组合，表面活性剂的加入量为0.005～0.1摩尔；步骤二沉淀剂为可溶性氢氧化物、可溶性碳酸盐、可溶性碳酸氢盐或氨水。

5、根据权利要求4所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的制备方法，其特征在于步骤一中Ln³⁺溶液中溶质为Ln₂O₃、Ln(NO₃)₃·6H₂O、LnCl₃或Ln(CH₃COOH)₃·5H₂O。

6、根据权利要求4所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的制备方法，其特征在于步骤一中Zr⁴⁺溶液中溶质为ZrOCO₃·8H₂O、ZrO(NO₃)₂·2H₂O、ZrOCl₂·8H₂O或ZrO(CH₃COO)₂。

7、根据权利要求4所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的制备方法，其特征在于步骤一中按比例将含40摩尔Ln³⁺的溶液和含60摩尔Zr⁴⁺的溶液混合搅拌，然后加入表面活性剂，搅拌3h得混合溶液。

8、根据权利要求4所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的制备方法，其特征在于步骤二中将混合溶液以50mL/min的速率滴加到沉淀剂中，反应时间为80min。

9、根据权利要求4所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的制备方法，其特征在于步骤三中将沉淀物放入离心机中，用去离子水离心洗涤10～20次，然后用无水乙醇离心洗涤1～3次，离心机转速为5000r/min。

10、根据权利要求4所述的多组元氧化锆基热障氧化物纳米粉体的制备方法，其特征在于步骤四中将离心洗涤后的沉淀物在100℃的条件下烘干，再球磨3h，然后在800℃、空气气氛下煅烧4h。