CN102964128A - 一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，具体涉及一种单分散硅酸镱(Yb2Si2O7)粉体的溶胶凝胶制备方法，属于溶胶凝胶法制备陶瓷超细粉体技术领域。以正硅酸乙酯(TEOS)、六水合硝酸镱(Yb(NO3)3·6H2O)为原料，在乙醇中发生水解和缩合反应，获得Yb2Si2O7前驱体凝胶，再通过高温热处理得到Yb2Si2O7粉体；原料的配比(摩尔比)为Yb(NO3)3·6H2O∶TEOS＝1∶1.2～1.3。该方法简单、温度低、耗时短，重复性好，可以获得质量分数为95％以上的硅酸镱(Yb2Si2O7)粉。

Description

一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法
技术领域
本发明涉及一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，具体涉及一种单分散硅酸镱(Yb2Si2O7)粉体的溶胶凝胶制备方法，属于溶胶凝胶法制备陶瓷超细粉体技术领域。
背景技术
硅基陶瓷材料在干燥环境下具有优异的高温力学性质、化学稳定性和热稳定性。然而，硅基非氧化物陶瓷在发动机工作环境中表面的稳定性却发生了急剧的恶化，成为目前制约硅基结构陶瓷在航空发动机热端部件中使用的主要因素。因此在这些硅基非氧化物陶瓷表面沉积或者涂覆一层环境阻障涂层成为了一种有效的减轻基体腐蚀的方法。美国宇航局等单位已对此进行了大量研究。结果表明，在各种涂层材料中，稀土硅酸盐，尤其是硅酸镱，因其具备优越的耐高温性能、在水蒸气中的高稳定性以及与SiC的化学和力学相容性而成为最有应用前景的候选材料之一。
目前制备稀土硅酸盐粉体通常用固相法，合成温度在1600℃以上，且所得粉体为微米级。溶胶凝胶法是一种制备超细粉体的常见方法，其具有合成温度低、所得粉体粒径小等优点。目前已用于制备的粉体包括Y2SiO5、Y2Si2O7、Lu2Si2O7。这种方法制备工艺简单，设备造价低廉，材料煅烧成型温度低；制备多组分体系可以达到分子级别或原子级别的均匀性，产物组分均匀，纯度高；反应过程可以精确控制，通过控制前驱体、溶剂、水量等因素控制得到一定微观结构和不同性质的凝胶。
文献中对于Yb2Si2O7的制备很少见，而有关纯的Yb2Si2O7粉体的制备更是未见报道。因此，本发明采用溶胶凝胶法制备纯的硅酸镱(Yb2Si2O7)粉，可望应用于纤维补强陶瓷基复合材料的抗氧化和退化涂层材料。
发明内容
本发明的目的在于提出一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，该方法简单、温度低、耗时短，重复性好，可以获得质量分数为95％以上的硅酸镱(Yb2Si2O7)粉。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明是一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，以正硅酸乙酯(TEOS)、六水合硝酸镱(Yb(NO3)3·6H2O)为原料，在乙醇中发生水解和缩合反应，获得Yb2Si2O7前驱体凝胶，再通过高温热处理得到Yb2Si2O7粉体；原料的配比(摩尔比)为Yb(NO3)3·6H2O∶TEOS＝1∶1.2～1.3；包括如下步骤：
1)将Yb(NO3)3·6H2O溶解于乙醇中，65～75℃条件下搅拌0.5～2h，然后降至室温，加入TEOS，在室温条件搅拌1～2h使Yb(NO3)3·6H2O充分溶于乙醇中，Yb(NO3)3·6H2O溶解于乙醇的浓度为8～11mol/L；
2)加入催化剂盐酸，加入盐酸的体积为步骤1)中加入的乙醇体积的2％-5％，搅拌至形成透明的前驱体溶胶，然后在室温下陈化50～70h形成凝胶；
3)将步骤2)得到的凝胶在40-80℃条件下烘干10～12小时，然后再在100-250℃条件下干燥2～4h形成干凝胶；
4)将步骤3)得到的干凝胶在玛瑙研钵中研磨成粉末，然后将粉末进行热处理，热处理温度为1000～1400℃，即可获得质量分数大于95％的硅酸镱(Yb2Si2O7)粉体。
上述步骤2)中在加入盐酸之前可将溶液加热至50-75℃；
上述步骤2)中搅拌时间为5-10h；
上述步骤2)中再在100-250℃条件下干燥时的升温速率为5℃/min，保温1-5h；
上述步骤4)中热处理是在真空炉中以1-10℃/min的升温速率加热，并保温1-5h。
有益效果
本发明采用的原料正硅酸乙酯，Yb(NO3)3·6H2O、乙醇、盐酸成本低廉；
反应过程可以精确控制，通过控制前驱体、溶剂等因素得到一定微观结构和不同性质的凝胶。
制备多组分体系可以达到分子级别或原子级别的均匀性，产物组分均匀，纯度高，质量含量达到95％以上。
此方法制备工艺简单，设备造价低廉，材料煅烧成型温度低，煅烧温度为1000-1400℃。
附图说明
图1为实施例1制备的Yb2Si2O7粉体的X射线衍射图谱；
图2为实施例5制备的Yb2Si2O7粉体的X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明。
实施例1
称取20g的Yb(NO3)3·6H2O溶解在24.9mL乙醇中，在70℃水浴条件下搅拌1h；将溶液取出冷却至室温，用注射器缓慢加入9.54mL的正硅酸乙酯，5min完毕。室温条件下搅拌1h使两者充分混合，此时可见溶液澄清；将溶液继续加70℃水浴，将0.19mL的盐酸滴入溶液中，搅拌、充分反应至形成前驱体溶胶，反应时间为8h；室温条件放置60小时后，溶胶形成了无色透明的果冻状凝胶；将凝胶在烘箱中60℃空气气氛下烘干8h，凝胶中溶剂部分挥发，颜色变为浅黄色，继续将凝胶在200℃条件下干燥，升温速率为5℃/min，保温3h，烘干后的样品颜色略微发黄，研磨后为白色粉末。将研磨后粉未装入石墨坩埚中，在真空炉中以5℃/min的升温速率加热至1000℃保温1h，然后随炉冷却至室温，研磨所得物即获得Yb2Si2O7粉体。制备的粉体材料经X射线衍射分析主要为Yb2Si2O7相，用XRD全谱拟合法测得Yb2Si2O7的质量含量为95％以上，如图1所示。
实施例2
称取Yb(NO3)3·6H2O 20g，溶解在24.9mL乙醇中，在70℃水浴条件下搅拌1h。将溶液取出冷却至室温，用注射器缓慢加入TEOS为9.54mL，约5min完毕。室温条件下搅拌1h使两者充分混合，此时可见溶液澄清；将溶液继续加70℃水浴，将0.19mL的盐酸滴入溶液中，搅拌、充分反应至形成前驱体溶胶，反应时间为8h。室温条件放置60小时后，溶胶形成了无色透明的果冻状凝胶；将凝胶在烘箱中60℃空气气氛下烘干8h，凝胶中溶剂部分挥发，颜色变为浅黄色；继续将凝胶在200℃条件下干燥，升温速率为5℃/min，保温3h，烘干后的样品颜色略微发黄，研磨后为白色粉末；将研磨后粉未装入石墨坩埚中，在真空炉中以5℃/min的升温速率加热至1100℃保温1h，然后随炉冷却至室温，研磨所得物即获得Yb28i2O7粉体。制备的粉体材料经X射线衍射分析主要为Yb2Si2O7相，用XRD全谱拟合法测得Yb2Si2O7的质量含量为95％以上。
实施例3
称取20g的Yb(NO3)3·6H2O溶解在24.9mL乙醇中，在70℃水浴条件下搅拌1h。将溶液取出冷却至室温，用注射器缓慢加入TEOS为9.54mL，约5min完毕。室温条件下搅拌1h使两者充分混合，此时可见溶液澄清；将溶液继续加70℃水浴，将0.19mL的盐酸滴入溶液中，搅拌、充分反应至形成前驱体溶胶，反应时间为8h。室温条件放置60小时后，溶胶形成了无色透明的果冻状凝胶。将凝胶在烘箱中60℃空气气氛下烘干8h，凝胶中溶剂部分挥发，颜色变为浅黄色.继续将凝胶在200℃条件下干燥，升温速率为5℃/min，保温3h，烘干后的样品颜色略微发黄，研磨后为白色粉末。将研磨后粉未装入石墨坩埚中，在真空炉中以5℃/min的升温速率加热至1200℃保温1h，然后随炉冷却至室温，研磨所得物即获得Yb2Si2O7粉体。制备的粉体材料经X射线衍射分析主要为Yb2Si2O7相，用XRD全谱拟合法测得Yb2Si2O7的质量含量为95％以上。
实施例4
称取20g的Yb(NO3)3·6H2O，溶解在24.9mL乙醇中，在70℃水浴条件下搅拌1h。将溶液取出冷却至室温，用注射器缓慢加入TEOS为9.54mL，约5min完毕。室温条件下搅拌1h使两者充分混合，此时可见溶液澄清；将溶液继续加70℃水浴，将0.19mL的盐酸滴入溶液中，搅拌、充分反应至形成前驱体溶胶，反应时间为8h。室温条件放置60小时后，溶胶形成了无色透明的果冻状凝胶。将凝胶在烘箱中60℃空气气氛下烘干8h，凝胶中溶剂部分挥发，颜色变为浅黄色，继续将凝胶在200℃条件下干燥，升温速率为5℃/min，保温3h，烘干后的样品颜色略微发黄，研磨后为白色粉末。将研磨后粉未装入石墨坩埚中，在真空炉中以5℃/min的升温速率加热至1400℃保温1h，然后随炉冷却至室温，研磨所得物即获得Yb2Si2O7粉体用XRD全谱拟合法测得Yb2Si2O7的质量含量为95％以上。
实施例5
称取20g的Yb(NO3)3·6H2O，溶解在24.9mL乙醇中，在70℃水浴条件下搅拌1h。将溶液取出冷却至室温，用注射器缓慢加入10.34mL的正硅酸乙酯，约5min完毕。室温条件下搅拌1h使两者充分混合，此时可见溶液澄清；将溶液继续加70℃水浴，将0.19mL的盐酸滴入溶液中，搅拌、充分反应至形成前驱体溶胶，反应时间设定为8h。室温条件放置60小时后，溶胶自然形成了无色透明的果冻状凝胶。将凝胶在烘箱中60℃空气气氛下烘干8h，凝胶中溶剂部分挥发，颜色变为浅黄色，继续将凝胶在200℃条件下干燥，升温速率为5℃/min，保温3h，烘干后的样品颜色略微发黄，研磨后为白色粉末。将研磨后粉未装入石墨坩埚中，在真空炉中以5℃/min的升温速率加热至1000℃保温1h，然后随炉冷却至室温，研磨所得物即获得Yb2Si2O7粉体。制备的粉体材料经X射线衍射分析主要为Yb2Si2O7相，用XRD全谱拟合法测得Yb2Si2O7的质量含量为95％以上，如图2所示。
实施例6
称取Yb(NO3)3·6H2O 20g溶解在24.9mL乙醇中，在70℃水浴条件下搅拌1h。将溶液取出冷却至室温，用注射器缓慢加入TEOS为10.34mL，约5min完毕。室温条件下搅拌1h使两者充分混合，此时可见溶液澄清；将溶液继续加70℃水浴，将0.19mL的盐酸滴入溶液中，搅拌、充分反应至形成前驱体溶胶，反应时间设定为8h。室温条件放置一段时间后，溶胶自然形成了无色透明的果冻状凝胶。将凝胶在烘箱中60℃空气气氛下烘干8h，凝胶中溶剂部分挥发，颜色变为浅黄色.继续将凝胶在200℃条件下干燥，升温速率为5℃/min，保温3h，烘干后的样品颜色略微发黄，研磨后为白色粉末。将研磨后粉未装入石墨坩埚中，在真空炉中以5℃/min的升温速率加热至1100℃保温1h，然后随炉冷却至室温，研磨所得物即获得Yb2Si2O7粉体，用XRD全谱拟合法测得Yb2Si2O7的质量含量为95％以上。
实施例7
称取20g的Yb(NO3)3·6H2O，溶解在24.9mL乙醇中，在70℃水浴条件下搅拌1h。将溶液取出冷却至室温，用注射器缓慢加入TEOS为10.34mL，约5min完毕。室温条件下搅拌1h使两者充分混合，此时可见溶液澄清；将溶液继续加70℃水浴，将0.19mL的盐酸滴入溶液中，搅拌、充分反应至形成前驱体溶胶，反应时间设定为8h。室温条件放置一段时间后，溶胶自然形成了无色透明的果冻状凝胶。将凝胶在烘箱中60℃空气气氛下烘干8h，凝胶中溶剂部分挥发，颜色变为浅黄色.继续将凝胶在200℃条件下干燥，升温速率为5℃/min，保温3h，烘干后的样品颜色略微发黄，研磨后为白色粉末。将研磨后粉未装入石墨坩埚中，在真空炉中以5℃/min的升温速率加热至1200℃保温1h，然后随炉冷却至室温，研磨所得物即获得Yb2Si2O7粉体。制备的粉体材料经X射线衍射分析主要为Yb2Si2O7相，用XRD全谱拟合法测得Yb2Si2O7的质量含量为95％以上。
实施例8
称取20g的Yb(NO3)3·6H2O，溶解在24.9mL乙醇中，在70℃水浴条件下搅拌1h。将溶液取出冷却至室温，用注射器缓慢加入TEOS为10.34mL，约5min完毕。室温条件下搅拌1h使两者充分混合，此时可见溶液澄清；将溶液继续加70℃水浴，将0.19mL的盐酸滴入溶液中，搅拌、充分反应至形成前驱体溶胶，反应时间设定为8h。室温条件放置一段时间后，溶胶自然形成了无色透明的果冻状凝胶。将凝胶在烘箱中60℃空气气氛下烘干8h，凝胶中溶剂部分挥发，颜色变为浅黄色，继续将凝胶在200℃条件下干燥，升温速率为5℃/min，保温3h，烘干后的样品颜色略微发黄，研磨后为白色粉末。将研磨后粉未装入石墨坩埚中，在真空炉中以5℃/min的升温速率加热至1400℃保温1h，然后随炉冷却至室温，研磨所得物即获得Yb2Si2O7粉体。用XRD全谱拟合法测得Yb2Si2O7的质量含量为95％以上。

Claims (5)

1.一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将Yb(NO3)3·6H2O溶解于乙醇中，65～75℃条件下搅拌0.5～2h，然后降至室温，加入TEOS，在室温条件搅拌1～2h使Yb(NO3)3·6H2O充分溶于乙醇中，Yb(NO3)3·6H2O溶解于乙醇的浓度为8～11mol/L；Yb(NO3)3·6H2O与TEOS的摩尔比为1∶1.2～1.3；
2)加入催化剂盐酸，加入盐酸的体积为步骤1)中加入的乙醇体积的2％-5％，搅拌至形成透明的前驱体溶胶，然后在室温下陈化50～70h形成凝胶；
3)将步骤2)得到的凝胶在40-80℃条件下烘干10～12小时，然后再在100-250℃条件下干燥2～4h形成干凝胶；
4)将步骤3)得到的干凝胶研磨成粉末，然后将粉末进行热处理，热处理的温度为1000～1400℃，得到质量分数大于95％的硅酸镱粉体。
2.根据权利要求1所述的一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，其特征在于：步骤2)中在加入盐酸之前将溶液加热至50-75℃。
3.根据权利要求1所述的一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，其特征在于：步骤2)中搅拌时间为5-10h。
4.根据权利要求1所述的一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，其特征在于：步骤2)中再在100-250℃条件下干燥时的升温速率为5℃/min，保温1-5h。
5.根据权利要求1所述的一种Yb2Si2O7粉体的溶胶凝胶制备方法，其特征在于：步骤4)中热处理是在真空炉中以1-10℃/min的升温速率加热，并保温1-5h。
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