CN102241516B - 一种水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷材料领域,涉及一种水基溶胶-凝胶法制备正硅酸锂陶瓷粉体的方法。本发明以可溶性含锂化合物为锂源,以SiO2气凝胶为硅源,以柠檬酸作络合剂及溶液的pH值调节剂,以去离子水为反应介质,在550-700℃下合成了Li4SiO4纳米粉体,控制某些制备条件能得到纯相的Li4SiO4,该纳米粉体具有很高的烧结活性,在室温到1000℃的线性收缩率是固相反应法制备Li4SiO4粉体的3倍多。该方法原料易得,价格低廉,且以水为反应介质,降低了成本;比固相反应法的反应温度低了200℃以上,节约了能源。采用该Li4SiO4纳米粉体制得的陶瓷的相对密度高达82.9%,明显高于固相反应法制备的陶瓷。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料领域,涉及一种水基溶胶-凝胶法制备正硅酸锂陶瓷粉体的方法。
背景技术
正硅酸锂(Li4SiO4)陶瓷粉体的合成方法有:固相反应法、沉淀法、燃烧法、溶胶-凝胶法等。固相反应法和沉淀法需要较高的反应温度(≥900℃),易导致部分组分的挥发,难以控制最终产物的组成,此外,在高温下合成粉体也不利于控制产品的形貌及均匀性等。燃烧法在空气气氛下几乎得不到单相的Li4SiO4,往往有Li2CO3、Li2SiO3等杂相生成。溶胶-凝胶法不仅能实现粉体的低温合成,而且便于控制所制备粉体的形貌和显微结构,因而受到众多研究者的青睐。目前,文献中报道的用来制备Li4SiO4纳米粉体的溶胶-凝胶法,均以锂的醇盐(LiOCH3、LiOC2H5、LiOCH2CH2OCH3等)或LiOH作锂源,以正硅酸乙酯(TEOS)作硅源。TEOS极易水解而生成SiO2沉淀,因而制备过程中不能用H2O作反应介质,而应采用有机溶剂作反应介质,这无疑增加了操作难度和生产成本,也容易带来环境污染等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体的方法,以克服现有技术的不足。
为了解决现有技术中Li4SiO4粉体合成中存在的问题,本发明公开了一种水基溶胶-凝胶法制备高烧结活性的Li4SiO4陶瓷粉体的方法,该方法能制备出Li4SiO4纳米粉体。本发明采用水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体的方法中,选取SiO2气凝胶作为硅源,这就解决了以TEOS作硅源在水溶液中易水解的问题;以可溶性的含锂化合物(如LiOH、CH3COOLi、LiNO3等)作锂源;以柠檬酸(C6H8O7·H2O)作络合剂和溶液pH值的调节剂;以去离子水作反应介质,制备了具有高烧结活性的Li4SiO4纳米粉体;通过控制某些制备条件可以得到单相的Li4SiO4纳米粉体。本发明所用原料价格低廉,易得;以去离子水为反应介质,有效地降低了成本;制备过程也简单易行,易于规模化生产,具有实际应用的潜力。
一种水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体的方法,包括如下步骤:
(1)将可溶性含锂化合物溶解于去离子水中,然后滴加柠檬酸水溶液络合Li+,同时调节溶液的pH值为5-10,搅拌均匀得到澄清溶液。
所述的可溶性含锂化合物选自LiOH、CH3COOLi或LiNO3;
所述含锂化合物的水溶液中锂离子摩尔浓度可以为0.4mol/L;
所述的柠檬酸的化学式为C6H8O7·H2O,所述柠檬酸水溶液中柠檬酸的摩尔浓度可以为0.5mol/L;
所述的搅拌时间为5-12h。
(2)向步骤(1)所得的澄清液中缓慢加入SiO2气凝胶并不断搅拌,其中SiO2气凝胶的加入量保证Li/Si的摩尔比为3.4/1-4.6/1。
(3)在50-90℃蒸发步骤(2)所得的混合液体中的溶剂,直至溶胶-凝胶化转变完成。
(4)将步骤(3)中所得的凝胶陈化,然后干燥,得到干凝胶前驱体。
所述的陈化温度为80-100℃,陈化时间为12-24h;所述干燥温度为120-180℃,干燥时间为12-24h。
所述干凝胶前驱体的获得无需雾化步骤。
(5)将步骤(4)所得的干凝胶前驱体在空气或氧气气氛下、550-700℃煅烧,得到Li4SiO4陶瓷粉体。
所述的煅烧时间为2-6h;
优选的,所述步骤(5)中的煅烧温度为600-700℃。
本发明的制备方法制得的Li4SiO4陶瓷粉体为纳米粉体,其一次颗粒的平均粒径为100nm左右;
所述制备方法可制得Li4SiO4纳米粉体,且该纳米粉体具有高的烧结活性,其在室温到1000℃的线性收缩率是固相反应法制备的Li4SiO4粉体的3倍多;
本发明所述的水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体的方法所制得的Li4SiO4陶瓷粉体 可用于制备Li4SiO4陶瓷。
本发明所述的Li4SiO4陶瓷的制备方法,包括如下步骤:
用本发明所制得的Li4SiO4陶瓷粉体压制成素坯,煅烧后得到Li4SiO4陶瓷。
所述的煅烧条件可以为1000℃烧结4h。
所得的Li4SiO4陶瓷的相对密度可以为82.9%,明显高于用固相反应法制备的陶瓷的相对密度。
本发明的水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体的方法和利用所得陶瓷粉体为原料制备Li4SiO4陶瓷,具有以下优点:
1、本发明所用原料易得,价格低廉,且以去离子水为反应介质,有效地降低了成本;
2、制备Li4SiO4陶瓷粉体的反应温度比固相反应法的反应温度低了200℃以上,节约了能源;
3、本发明所制得的Li4SiO4陶瓷粉体为纳米粉体,其一次颗粒的平均粒径为100nm左右;
4、本发明的水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体中控制某些条件可以得到单相的Li4SiO4纳米粉体;
5、所制得的Li4SiO4纳米粉体具有很高的烧结活性,在室温到1000℃的线性收缩率是固相反应法制得的Li4SiO4粉体的线性收缩率的3倍多;
6、用所制得的Li4SiO4纳米粉体制备Li4SiO4陶瓷,所得陶瓷的相对密度高达82.9%,明显高于用固相反应法制备的陶瓷。
附图说明
图1水基溶胶-凝胶法制备高烧结活性Li4SiO4纳米粉体的流程图。
图2实施例1所得的Li4SiO4陶瓷粉体的XRD图谱。
图3实施例5所得的Li4SiO4陶瓷粉体的XRD图谱。
图4(a)为对比例1的固相反应法制得的Li4SiO4粉体的扫描电子显微镜(SEM)照片;
(b)为实施例1的水基溶胶-凝胶法制得的Li4SiO4陶瓷粉体的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图5(a)为对比例1的固相反应法制得的Li4SiO4粉体在室温到1000℃的烧结收缩曲线;
(b)为实施例9的水基溶胶-凝胶法制得的Li4SiO4陶瓷粉体在室温到1000℃的烧结收缩曲线。
图6(a)为对比例1的固相反应法制得的Li4SiO4陶瓷的断面显微结构照片;
(b)为实施例11的水基溶胶-凝胶法制得的Li4SiO4陶瓷的断面显微结构照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明,应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
对比例1
固相反应法制备Li4SiO4粉体:将Li2CO3粉体和SiO2粉体按照Li4SiO4化学计量比配料,以无水乙醇为球磨介质,球磨4小时使原料混合均匀得前驱体。将前驱体在70℃烘干、过筛后于900℃下煅烧4小时得到Li4SiO4粉体。
经检测,所制得的Li4SiO4粉体的形貌如图4(a)所示:对比例1所得的Li4SiO4粉体的扫描电子显微镜(SEM)照片;该对比例1中所得粉体的颗粒大小分布不均匀,尺寸分布范围宽,大部分晶粒尺寸为10-20μm,少数晶粒的粒径达到了30μm。
该Li4SiO4粉体在室温到1000℃的烧结收缩曲线如图5(a)所示:对比例1所得的Li4SiO4粉体的烧结收缩曲线;该过程的线性收缩率为1.6%。
用该固相反应法制得的Li4SiO4粉体制备的素坯经1000℃烧结4h得到Li4SiO4陶瓷,所得的陶瓷的断面显微结构如图6(a)所示:对比例1所得的Li4SiO4陶瓷的断面显微结构照片。
实施例1
如图1所示:水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体的工艺流程:
①将LiOH溶解于去离子水中,配制摩尔浓度为0.4mol/L的LiOH溶液400mL,然后滴 加摩尔浓度为0.5mol/L的柠檬酸水溶液络合Li+,并用C6H8O7·H2O溶液调节上述溶液的PH值,PH=6;②按照Li与Si的摩尔比Li/Si=4/1向步骤①所得的溶液中缓慢滴加SiO2气凝胶并不断搅拌0.5h,得到略显乳白色的胶体溶液;③在70℃蒸发步骤②所得溶液中的溶剂直至发生溶胶-凝胶化转变;④将所制备的凝胶置于在90℃的烘箱中陈化12小时后于160℃下干燥12小时,得到干凝胶前驱体;⑤将干凝胶前驱体在空气气氛中于675℃煅烧4小时,得到Li4SiO4陶瓷粉体。
经检测,所得陶瓷粉体的XRD图谱如图2所示,其形貌如图4(b)所示。从图2中可以看出,所有的衍射峰均对应于Li4SiO4相的衍射,这表明所制备的陶瓷粉体为单相的Li4SiO4,不含任何杂质。从图4(b)中可以看出,所制备的Li4SiO4陶瓷粉体为纳米粉体,其一次颗粒的平均粒径大小为100nm左右。
与对比例1相比,本发明实施例1中采用水基溶胶-凝胶法后,合成温度低了200℃以上,这不仅大大节约了能源,而且低温有利于合成具有高烧结活性的Li4SiO4陶瓷粉体。对比图4(a)与图4(b)可以发现,对比例1中所得粉体的颗粒大小分布不均匀,尺寸分布范围宽,大部分晶粒尺寸为10-20μm,少数晶粒的粒径达到了30μm;而本发明实施例1中采用水基溶胶-凝胶法制备的陶瓷粉体为纳米粉体,颗粒成球形形状,且粒径大小比较均匀,分布范围窄,一次颗粒的平均粒径为100nm,远远小于对比例1中用固相反应法制备的粉体的平均粒径。
实施例2
将LiOH溶解于去离子水中,配制三份摩尔浓度均为0.4mol/L的LiOH溶液各400mL,并用浓度为0.5mol/L的C6H8O7·H2O调节上述溶液的pH值,使溶液的pH分别为5、8.5、10,其他工艺过程及工艺参数同实施例1。
经检测,在该三种pH值条件下制备的干凝胶前驱体,经675℃煅烧4小时后,所得到陶瓷粉体的XRD图谱与图2完全相同,即在pH=5、8.5、10的条件下制备的粉体均为单相的Li4SiO4纳米粉体。
实施例3
将LiOH溶解于去离子水中,配制摩尔浓度为0.4mol/L的LiOH溶液400mL,并用浓度为0.5mol/L的C6H8O7·H2O调节上述溶液的pH=6;按照摩尔比Li/Si=3.4/1向上述溶液 中缓慢加入SiO2气凝胶并不断搅拌,其他工艺参数同实施例1。干凝胶在675℃煅烧4小时,所得陶瓷粉体的主晶相为Li4SiO4,仅含少量的Li2SiO3。
实施例4
将LiOH溶解于去离子水中,配制摩尔浓度为0.4mol/L的LiOH溶液400mL,并用浓度为0.5mol/L的C6H8O7·H2O调节上述溶液的pH=6;按照摩尔比Li/Si=4.6/1向上述溶液中缓慢加入SiO2气凝胶并不断搅拌,其他工艺参数同实施例1。干凝胶在675℃煅烧4小时,所得陶瓷粉体的主晶相为Li4SiO4,仅含少量的Li2CO3。
实施例5
干凝胶的制备过程同实施例1。制备的干凝胶经分别在550、600、700℃煅烧4h,所得Li4SiO4陶瓷粉体的物相组成如表1所示。其中,干凝胶在600℃下煅烧4h后,所得陶瓷粉体的XRD图谱如图3所示。从图3中可以看出,所得陶瓷粉体的主晶相为Li4SiO4,仅含少量的Li2CO3。
表1 干凝胶前驱体在不同温度下热处理4h,所得产物的组成
热处理温度(℃) | 550 | 600 | 700 |
产物物相组成 | Li4SiO4与Li2CO3 两相共存 | Li4SiO4(主晶相) Li2CO3(少量) | Li4SiO4单相 |
经检测,煅烧温度为700℃时获得的陶瓷粉体为纯相的Li4SiO4纳米粉体,其一次颗粒的平均粒径为100nm。
实施例6
分别将LiNO3、CH3COOLi溶解于去离子水中,配制浓度为0.4mol/L的LiNO3及CH3COOLi溶液各400mL,并用浓度为0.5mol/L的C6H8O7·H2O调节上述溶液的pH=6;其他工艺参数同实施例1。
所得产物经XRD检测并分析表明,采用LiNO3及CH3COOLi做锂源制得的陶瓷粉体为单相的Li4SiO4纳米粉体。该纳米粒径大小比较均匀,分布范围窄,一次颗粒的平均粒径为95nm。
实施例7
干凝胶前驱体在氧气气氛中于675℃煅烧4小时,其余工艺参数同实施例1。
经检测,所得的陶瓷粉体为单相的Li4SiO4纳米粉体,该纳米粒径大小比较均匀,分布范围窄,一次颗粒的平均粒径为98nm。
实施例8
将LiOH溶解于去离子水中,配制三份摩尔浓度为0.4mol/L的LiOH溶液400mL,并用浓度为0.5mol/L的C6H8O7·H2O调节上述溶液的pH=6;按照摩尔比Li/Si=3.4/1、4.5/1、4.6/1的比例分别向上述溶液中缓慢加入SiO2气凝胶并不断搅拌,其他工艺参数同实施例1。干凝胶在700℃煅烧2小时,得到Li4SiO4陶瓷粉体。
经检测,所得产物为Li4SiO4纳米粉体。该纳米粒径大小比较均匀,分布范围窄,一次颗粒的平均粒径为100nm。
实施例9
Li/Si的摩尔比为3.5/1,干凝胶煅烧温度为600℃,煅烧时间为6h,其他工艺参数同实施例1,得到Li4SiO4陶瓷粉体。经检测,所得产物为Li4SiO4纳米粉体。该纳米粒径大小比较均匀,分布范围窄,一次颗粒的平均粒径为92nm。
实施例10
分别改变溶剂的蒸发温度为50、60、90℃;分别改变凝胶的陈化温度为80、95、100℃;分别改变凝胶的干燥温度为120、150、180℃,考察这三个工艺参数的变化对产物物相的影响。改变这三个工艺参数中任意一个时,其他工艺参数及工艺过程同实施例1。所得产物的物相组成如表2所示。
表2 不同蒸发温度、陈化温度及干燥温度下所制备产物的物相组成表
溶剂蒸发温度(℃) | 50 | 60 | 90 |
产物物相组成 | Li4SiO4 | Li4SiO4 | Li4SiO4 |
凝胶陈化温度(℃) | 80 | 95 | 100 |
产物物相组成 | Li4SiO4 | Li4SiO4 | Li4SiO4 |
凝胶干燥温度(℃) | 120 | 150 | 180 |
产物物相组成 | Li4SiO4 | Li4SiO4 | Li4SiO4 |
可见,这些工艺参数的改变对产物物相的组成没有影响。经检测,在这些工艺条件下制得的陶瓷粉体均为单相的Li4SiO4纳米粉体。
结合实施例1-10可知,控制某些制备条件可获得纯相的Li4SiO4纳米粉体,其一次颗粒的平均粒径为100nm左右。
实施例11
按照实施例1的工艺流程制备Li4SiO4纳米粉体。将所制备的Li4SiO4粉体压制成大小为φ5×25mm的柱体,成型时所用压力为2MPa。该样品的烧结收缩曲线如图5(b)所示。测试在空气气氛下进行,升温速率为5℃/min。从图5(b)中可以看出,本发明中用水基溶胶-凝胶法制备的Li4SiO4纳米粉体出现明显烧结收缩的起始温度为640℃,在915℃左右烧结过程基本结束,该过程的线性收缩率为5.2%,是对比例1中用固相反应法所得粉体线性收缩率(1.6%,见图5(a))的3倍多。这说明用本发明的水基溶剂-凝胶法制备的Li4SiO4粉体的烧结活性比固相反应法高得多。
实施例12
按照实施例1的工艺流程制备Li4SiO4纳米粉体。将所制备的Li4SiO4粉体压制成直径10mm,厚度1.5-2.2mm的素坯圆片。该素坯经200MPa等静压后,在1000℃烧结4小时以制备陶瓷。用本发明实施例12中的水基溶胶-凝胶法和对比例1中的固相反应法制备的陶瓷分别标记为SG和SSR试样。试样的直径、厚度及相对密度如表3所示。
表3 1000℃烧结4h的Li4SiO4陶瓷的尺寸及相对密度
试样编号 | 直径 | 厚度 | 相对密度 |
SSR | 9.78 | 2.00 | 77.5 |
SG | 9.58 | 1.96 | 82.9 |
可见,SG陶瓷沿径向的线性收缩率比SSR要大,在相同的烧结条件下,SG陶瓷的相对密度也比SSR陶瓷高。
实施例13
按照实施例12的工艺制备Li4SiO4陶瓷。用本发明实施例13中的水基溶胶-凝胶法和对比例1中的固相反应法制备的陶瓷分别标记为SG和SSR试样。经检测,SG陶瓷和SSR陶瓷的断面显微结构如图6所示,图6(a)为SG陶瓷的断面显微结构,图6(b)为SSR陶瓷的断面显微结构。对比图6(a)与图6(b)可以发现,SSR陶瓷内部晶粒大小不一,部分晶粒过分长大,晶粒尺寸大于20μm,而SG陶瓷内部晶粒大小比较均匀,晶粒尺寸分布范围窄,为5~10μm;SG陶瓷的晶粒尺寸较小,陶瓷显微结构的均匀性更好,致密性也更高。经检测并结合以上分析可见,SG陶瓷沿径向的线性收缩率比SSR要大,在相同的烧结条件下,SG陶瓷的相对密度也比SSR陶瓷高。
Claims (4)
1.一种水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷纳米粉体的方法,由如下步骤组成:
(1)将可溶性含锂化合物溶解于去离子水中,然后滴加柠檬酸水溶液络合Li+,同时调节溶液的pH值为5-6,搅拌均匀得到澄清溶液;
(2)向步骤(1)所得的澄清液中缓慢加入SiO2气凝胶并不断搅拌,其中SiO2气凝胶的加入量保证Li/Si的摩尔比为3.4/1-4.6/1;
(3)在50-90℃蒸发步骤(2)所得的混合液体中的溶剂,直至溶胶-凝胶化转变完成;
(4)将步骤(3)中所得的凝胶陈化、干燥,得到干凝胶前驱体,陈化温度为80-100℃,干燥温度为120-180℃,陈化时间为12-24h,干燥时间为12-24h;
(5)将步骤(4)所得的干凝胶前驱体在空气或氧气气氛下、600-700℃煅烧,得到Li4SiO4陶瓷粉体,煅烧时间为2-6h;
步骤(1)中的可溶性含锂化合物选自CH3COOLi或LiNO3。
2.一种Li4SiO4陶瓷纳米粉体,为根据权利要求1所述的水基溶胶-凝胶法制备Li4SiO4陶瓷粉体的方法制得。
3.一种Li4SiO4陶瓷,为根据权利要求2所述的Li4SiO4陶瓷纳米粉体为原料制得。
4.如权利要求3所述的Li4SiO4陶瓷的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:用权利要求2所述的Li4SiO4陶瓷纳米粉体压制成素坯,煅烧后得到Li4SiO4陶瓷。
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CN102241516A (zh) | 2011-11-16 |
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