CN102351532A - 氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，该制备方法是：锆酸丁酯及氯化铝溶于浓盐酸，发生水解、聚合反应生成复合前驱体；在水相中，长链烃基表面活性剂与有机改性剂通过van deer Walls力、氢键相互作用形成稳定的模板剂溶液；两者通过静电自组装作用结合，得锆-铝基胶体颗粒；热处理胶体颗粒，形成结构有序的ZrO2-Al2O3复合陶瓷。本发明的改性剂在自组装过程中通过化学键或者超分子作用力和表面活性剂作用，以阻止胶体颗粒的任意生长，同时调控胶体的尺寸大小、微观结构、均匀性、分散性等品质参数，自组装得到的Zr-Al基胶体颗粒产量较大，Zr-Al基胶体颗粒经热处理得到的ZrO2-Al2O3复合陶瓷具有良好的微观结构及优异的性能，可以应用于其它复合金属氧化物纳米材料。

Description

氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法
技术领域
本发明属于金属氧化物材料的制备技术，特别是一种氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法。
背景技术
自组装技术是指通过分子间的化学键或超分子作用，在一定条件下自发形成特定的有序结构，这是一种“自下而上”的制备技术，即由原子，分子及其集合体向较大尺寸合成出器件的单元结构并进而组织成器件的技术。自组装技术具有制备简单、不需要昂贵的仪器设备、可在分子水平控制组装体系的结构及性质等优点，其研究范围广泛，涉及无机材料、高分子材料、复合材料等许多领域。
传统二氧化锆和氧化铝陶瓷材料主要包括真空气相沉积法、真空蒸镀法、热蒸发分解法、激光脉冲沉积法等方法。这些传统方法存在设备工艺复杂、能耗高、污染严重、成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，该复合陶瓷在温和化学反应条件下自组装制备，结构高度有序，性能优异。
本发明的技术解决方案是：锆酸丁酯及氯化铝溶于浓盐酸，发生水解、聚合反应生成复合前驱体；在水相中，长链烃基表面活性剂与有机改性剂通过van deer Walls力、氢键相互作用形成稳定的模板；两者通过静电自组装作用结合，得锆-铝基胶体颗粒；热处理胶体颗粒，形成结构有序的ZrO2-Al2O3复合陶瓷。
其中，该复合陶瓷的制备方法包括以下步骤：首先，在浓盐酸中，加入锆酸丁酯和氯化铝，搅拌，得到透明澄清的复合前驱体溶液，平铺于容器中；其次，将表面活性剂和改性剂溶于水，加热搅拌，得到模板剂溶液；然后，待模板剂溶液冷却后，均匀倒入容器中，转移至人工智能气候箱中，静置自组装，制得锆-铝基胶体颗粒；最后，胶体颗粒经自然干燥后，进行热处理，得到结构有序的氧化锆和氧化铝复合陶瓷。
其中，由有机金属醇盐锆酸丁酯和无机金属盐氯化铝反应生成复合前驱体，锆酸丁酯和氯化铝的质量比为1：（0.1-0.2）。
其中，表面活性剂含有长链烃基，为硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸或油酸。
其中，改性剂为蛋白质、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙二醇。
其中，表面活性剂与改性剂的质量比为（1-2）：1。
其中，表面活性剂和前驱体质量比为1：（3-6）。
其中，制备复合前驱体溶液时间为10min，温度为室温；制备模板剂溶液的时间为15min，搅拌温度为40℃。
其中，冷却模板剂溶液至25℃，在人工智能气候箱中静置自组装，自组装温度为21℃。
其中，锆-铝基胶体颗粒自然干燥后热处理，热处理温度为350℃-500℃，时间为4h-8h。
本发明与现有技术相比，其显著优点：其一、改性剂在自组装过程中通过化学键或者超分子作用力和表面活性剂作用，以阻止胶体颗粒的任意生长，同时调控胶体的尺寸大小、微观结构、均匀性、分散性等品质参数，自组装得到的Zr-Al基胶体颗粒产量较大，经过一系列材料测试表征，在纳米尺度下，可明显观察到有序的纳米结构；其二、Zr-Al基胶体颗粒经热处理得到的ZrO2-Al2O3复合陶瓷具有良好的微观结构及优异的性能；其三、该自组装技术具有推广价值，可以应用于制备其它复合金属氧化物功能纳米材料。
附图说明
    图1为本发明的制备流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术解决方案的限制。
实施例1：依以下步骤制备复合陶瓷
步骤1：将1.3g 锆酸丁酯和0.13g氯化铝溶于1.0g质量浓度 37%的浓盐酸中，磁力搅拌10 min，得到澄清的前驱体溶液，平铺于容器中；
步骤2：将0.25g表面活性剂硬脂酸钠和0.25g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于18.4ml去离子H2O中，40℃磁力搅拌15min，得到混合均匀的模板剂溶液；
步骤3：待步骤2的模板剂溶液冷却至常温25℃，均匀倒入步骤1的容器中，将容器转移置21℃恒温的人工智能气候箱中，静置自组装12h，得Zr-Al基胶体颗粒；
步骤4：将步骤3的胶体颗粒自然干燥，经350℃热处理8h，得介孔有序结构的ZrO2-Al2O3复合陶瓷。
实施例2：依以下步骤制备复合陶瓷
步骤1：同实施例1的步骤1；
步骤2：将0.25g表面活性剂十二烷基磺酸钠和0.25g蛋白质溶于18.4ml去离子H2O中，40℃磁力搅拌 15min，得到混合均匀的模板剂溶液；
步骤3：同实施例1的步骤3；
步骤4：将步骤3的胶体颗粒自然干燥，经400℃热处理6h，得介孔有序结构的ZrO2-Al2O3复合陶瓷。
实施例3：依以下步骤制备复合陶瓷
步骤1：同实施例1的步骤1；
步骤2：将0.25g表面活性剂十二烷基苯磺酸和0.125g溶于16.4ml去离子H2O中，40℃磁力搅拌15min，得混合均匀的模板剂溶液；
步骤3，同实施例1的步骤3；
步骤4：将步骤3的胶体颗粒自然干燥，经450℃热处理5h，得介孔有序结构的ZrO2-Al2O3复合陶瓷。
实施例4：依以下步骤制备复合陶瓷
步骤1：将1.3g 锆酸丁酯和0.18g氯化铝溶于1.0g 质量浓度37%的浓盐酸中，磁力搅拌10 min，得到澄清的前驱体溶液；
步骤2：将0.25g表面活性剂油酸和0.15g聚乙二醇溶于18.4ml去离子H2O中，40℃磁力搅拌15min，得到混合均匀的模板剂溶液；
步骤3：同实施例1的步骤3；
步骤4：将步骤3的胶体颗粒自然干燥，经500℃热处理4h，得介孔有序结构的ZrO2-Al2O3复合陶瓷。
实施例5：依以下步骤制备复合陶瓷
步骤1：将0.65g 锆酸丁酯和0.13g氯化铝溶于1.0g质量浓度 37%的浓盐酸中，磁力搅拌10 min，得到澄清的前驱体溶液；
步骤2：将0.25g表面活性剂硬脂酸钠和0.50g聚乙二醇溶于18.4ml去离子H2O中，40℃磁力搅拌 15min，得到混合均匀的模板剂溶液；
步骤3：同实施例1的步骤3；
步骤4：将步骤3的胶体颗粒自然干燥，经500℃热处理6h，得到介孔有序结构的ZrO2-Al2O3复合陶瓷。
实施例6：依以下步骤制备复合陶瓷
步骤1：将1.3g 锆酸丁酯和0.13g氯化铝溶于2.0g 质量浓度37%的浓盐酸中，磁力搅拌10 min，得到澄清的前驱体溶液；
步骤2：将0.25g表面活性剂硬脂酸钠和0.25g聚合物P123溶于18.4ml去离子H2O中，40℃磁力搅拌 15min，得到混合均匀的模板剂溶液；
步骤3：同实施例1的步骤3；
步骤4：同实施例1的步骤4。

Claims (10)

1.氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于该制备方法是：锆酸丁酯及氯化铝溶于浓盐酸，发生水解、聚合反应生成复合前驱体；在水相中，长链烃基表面活性剂与有机改性剂通过van deer Walls力、氢键相互作用形成稳定的模板剂溶液；两者通过静电自组装作用结合，得锆-铝基胶体颗粒；热处理胶体颗粒，形成结构有序的ZrO2-Al2O3复合陶瓷。
2.根据权利要求1所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于该制备方法的步骤是：首先，在浓盐酸中，加入锆酸丁酯和氯化铝，搅拌，得到透明澄清的复合前驱体溶液，平铺于容器中；其次，将表面活性剂和改性剂溶于水，加热搅拌，得到模板剂溶液；然后，待模板剂溶液冷却后，均匀倒入容器中，转移至人工智能气候箱中，静置自组装，制得锆-铝基胶体颗粒；最后，胶体颗粒经自然干燥后，进行热处理，得到结构有序的氧化锆和氧化铝复合陶瓷。
3.根据权利要求2所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于：其中，由有机金属醇盐锆酸丁酯和无机金属盐氯化铝反应生成复合前驱体，锆酸丁酯和氯化铝的质量比为1：（0.1-0.2）。
4.根据权利要求2所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于：其中，表面活性剂含有长链烃基，为硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸或油酸。
5.根据权利要求2所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于：其中，改性剂为蛋白质、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇。
6.根据权利要求2所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于：其中，表面活性剂与改性剂的质量比为（1-2）：1。
7.根据权利要求2所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于：其中，表面活性剂和前驱体的质量比为1：（3-6）。
8.根据权利要求2所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于：其中，制备复合前驱体溶液时间为10min，温度为室温；制备模板剂溶液的时间为15min，搅拌温度为40℃。
9.根据权利要求2所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于：其中，冷却模板剂溶液至25℃，在人工智能气候箱中静置自组装，自组装温度为21℃。
10.根据权利要求2所述的氧化锆和氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征在于：其中，锆-铝基胶体颗粒自然干燥后热处理，热处理温度为350℃-500℃，时间为4h-8h。
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