CN103396119B - 一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法 - Google Patents
一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法,以Zr4+和La3+的水合无机盐为先驱体,以柠檬酸为络合剂,以酰胺类有机物为凝胶促进剂,聚乙二醇为分散剂,经老化、干燥、高温焙烧得到La2Zr2O7粉体。本发明所得La2Zr2O7粉体的颗粒尺寸为20~100nm,Zr、La摩尔比接近1:1,晶体结构为单相烧绿石型,结晶度高,具有低热导、抗烧结、高温稳定性好等优异性能,适用于航空涡轮发动机热障涂层和高温湿氧环境防护涂层领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种单相稀土氧化物陶瓷超细粉体的制备方法,特别是涉及用溶胶凝胶法制备单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体。
背景技术
随着航空涡轮发动机的燃气温度和压力不断提高,传统的高温结构合金已经无法满足需求,提高材料在更高温度下的稳定性和服役寿命是迫切需要解决的问题。目前,热障涂层(TBCs)技术通过降低本体材料的表面温度以提高发动机服役寿命,已成为当前研究的热点。通常制备TBCs的方法有等离子喷涂法、电子束物理气相沉积法、化学气相沉积法和激光熔融法等,其中,发展比较成熟、应用最广泛的是等离子喷涂法,其原料为粉体材料。锆酸镧(La2Zr2O7)是一种烧绿石结构的材料,具有较低的热导率、在熔点以下无相变、热稳定性好等优异性能而作为中高温下使用的优选粉体材料,而制备出单一晶相、结晶度高、分散性好、颗粒度小的La2Zr2O7粉体则是影响等离子喷La2Zr2O7涂层性能的关键。
常用的制备La2Zr2O7粉体的方法是固相法,但固相反应法合成温度较高(1550~1650℃),难以控制组成和结晶相,并且固相法得到的La2Zr2O7粉体晶粒尺寸较大、粒径分布不均匀,这就限制了其在高温下的应用。液相法制备La2Zr2O7的优势在于:先驱体以分子水平混合,从而最终得到的粉体颗粒较小且分散均匀。目前较成熟的液相制备工艺是共沉淀法,专利CN101407336A公开了一种La2Zr2O7粉体的共沉淀制备方法,将含Zr4+和La3+的两种先驱体溶液混合,加入沉淀剂生成沉淀,经洗涤、高温焙烧得到La2Zr2O7粉体,这种方法得到的粉体颗粒度大,且结构中含有杂质相萤石结构。
溶胶凝胶法属于液相法范畴,与传统的共沉淀法相比,制备La2Zr2O7粉体颗粒更小,可达纳米水平,且物相组成为单一烧绿石相,颗粒均匀性和纯度高,具有抗烧结、高温相稳定性好、机械强度高等优势,更适合作为等离子喷涂TBCs用粉体材料。文献1“刘树信,王海滨.原位合成La2Zr2O7-YSZ复合材料及高温热稳定性研究,中国粉体技术,2011,17(4):65-70.”公布了一种La2Zr2O7-YSZ粉体的溶胶凝胶制备方法,其采用金属硝酸盐作为原料,柠檬酸作为络合剂制备了La2Zr2O7-YSZ粉体,但由于未加入分散剂,所得粉体的颗粒尺寸较大,达到微米级。文献2“Vladimir Sevast’yanov,Elizaveta Simonenko,Nikolai Simonenko,et al.Synthesis of finely dispersed La2Zr2O7,La2Hf2O7,Gd2Zr2O7and Gd2Hf2O7oxides.Mendeleev Commun.,2013,23:17-18.”采用金属无机盐作为原料,添加浓硝酸、柠檬酸、乙二醇,采用氨水调节pH值,制备出La2Zr2O7纳米粉体,但是由于氨水无法缓慢控制pH值的变化,胶体颗粒难以均匀长大,从而导致结晶性较差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,解决现有溶胶凝胶法制备La2Zr2O7粉体高温稳定性不足、易烧结、机械强度不高等问题,提供一种单一晶相、结晶度高、分散性好、颗粒度小的La2Zr2O7粉体制备方法。
本发明通过以下技术方案实现:
1、配制先驱体溶液:
采用金属水合无机盐作为先驱体,采用水和醇的混合液作为溶剂,将含Zr4+和La3+的水合无机盐分别缓慢加入到水和醇的混合液中,持续搅拌溶解,得到两种先驱体溶液,各组分摩尔含量比分别为:Zr4+:H2O:醇=1:5~8:10,La3+:H2O:醇=1:0.5~2:10;
其中,含Zr4+的水合无机盐为ZrOCl2·8H2O或Zr(NO3)4·5H2O,含La3+的水合无机盐为La(NO3)3·6H2O或LaCl3·6H2O,醇类溶剂为甲醇、乙醇或丙醇,优选乙醇;
2、制备溶胶:
将步骤1所得两种溶液按组分摩尔比Zr4+:La3+=1:1混合并持续搅拌,依次加入柠檬酸,摩尔比为柠檬酸:Zr4+=0.1~0.4:1;加入聚乙二醇组分质量比为:聚乙二醇:Zr4+=1:1~7.5,其中,聚乙二醇的数均分子量可以是600~20000;加入甲酰胺或N-甲基甲酰胺,摩尔比为:甲酰胺或N-甲基甲酰胺:Zr4+=0.1~2:1,将上述混合液持续搅拌1~5h,形成溶胶;
3、老化:
将溶胶在60~90℃下进行保温老化,持续10~24h,得到湿凝胶;优选工艺为80℃条件下保温老化15h,老化温度越高,老化时间相对缩短;
4、干燥:
将湿凝胶在100~200℃干燥,干燥时间为5~10h,得到干凝胶;优选工艺为120℃条件下干燥6h,干燥温度越高,干燥时间相对缩短;
5、高温焙烧:
将干凝胶经1~10℃/min的升温速率升至1000~1200℃后再保温1~5h,随炉降温,得到La2Zr2O7粉体,优选工艺为5℃/min升至1200℃,保温2h,随炉降温。
本发明是一种改进的溶胶凝胶制备方法,与传统的溶胶凝胶法相比,所用先驱体比传统的金属醇盐成本大大降低,柠檬酸作为络合剂增强胶体网络;采用聚乙二醇作为分散剂,聚乙二醇具有表面活性剂的特性,可以使含金属-氧键的胶体颗粒在溶剂分散均匀,降低凝胶化所得胶粒的尺寸,最终降低所得粉体的颗粒大小;采用酰胺类添加剂控制凝胶化过程,酰胺类添加剂经水解可以清除溶液中的H+,提高溶液的pH值,这一过程比氨水等强碱性物质调节pH值的作用慢得多,从而能够保证胶体颗粒缓慢、均匀生长,充分交联形成良好的网络 结构,经高温焙烧后得到结晶性良好的La2Zr2O7粉体。该方法工艺简单、成本低、对设备无腐蚀,所制备的粉体为单一烧绿石相、元素组成近化学计量比、结晶性好、颗粒大小为纳米级、分散均匀。
本发明所需原料均可从市场公开渠道获得,试验设备均为普通设备。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的La2Zr2O7粉体的SEM照片;
图2为本发明实施例1制备的La2Zr2O7粉体的TEM照片;
图3为本发明实施例1制备的La2Zr2O7粉体的XRD谱图;
图4为本发明实施例3制备的La2Zr2O7粉体的SEM照片;
图5为本发明实施例3制备的La2Zr2O7粉体的TEM照片;
图6为本发明实施例3制备的La2Zr2O7粉体的XRD谱图;
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步说明,但保护范围不受这些实施例的限制。此外应理解,在阅读了本发明的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种本发明制备的单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体,主要有以下步骤:
(1)按摩尔比ZrOCl2·8H2O:H2O:CH3OH=1:5:10,将5.00g ZrOCl2·8H2O缓慢加入到1.40g水和4.97g甲醇的混合液中,不断搅拌,得到透明溶液A液;同时,按摩尔比La(NO3)3·6H2O:H2O:CH3OH=1:0.5:10,将6.66g La(NO3)3·6H2O缓慢加0.14g水和4.97g甲醇的混合液中,不断搅拌,得到透明溶液B液;
(2)将A液和B液混合,得到透明的混合溶液,搅拌均匀;
(3)在持续搅拌的条件下,依次向混合液中按摩尔比:柠檬酸:Zr4+=0.1:1加入柠檬酸0.33g,按质量比聚乙二醇:Zr4+=1:1加入聚乙二醇1.41g,其中,聚乙二醇的数均分子量为600,按摩尔比N-甲基甲酰胺:Zr4+=0.1:1加入N-甲基甲酰胺0.09g,搅拌1h,得到溶胶;
(4)将溶胶在60℃老化24h,然后经100℃干燥10h得到淡黄色干凝胶;
(5)将干凝胶在马弗炉中经1℃/min升至1000℃,然后保温5h,随炉降温,得到La2Zr2O7粉体。
本实施例所得La2Zr2O7粉体的SEM照片如图1所示,可见所得粉体分散均匀;本实施例所得La2Zr2O7粉体的TEM照片如图2所示,可见粉体的颗粒尺寸为纳米级,约40~100nm;本实施例所得La2Zr2O7粉体的XRD谱图如图3所示,可见粉体的相组成单一,结构为烧绿 石型,且结晶性良好。
实施例2
一种本发明制备的单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体,主要有以下步骤:
(1)按摩尔比ZrOCl2·8H2O:H2O:C3H7OH=1:8:10,将5.00g ZrOCl2·8H2O缓慢加入到2.24g水和9.31g丙醇的混合液中,不断搅拌,得到透明溶液A液;同时,按摩尔比La(NO3)3·6H2O:H2O:C3H7OH=1:2:10,将6.66g La(NO3)3·6H2O缓慢加0.56g水和9.31g丙醇的混合液中,不断搅拌,得到透明溶液B液;
(2)将A液和B液混合,得到透明的混合溶液,搅拌均匀;
(3)在持续搅拌的条件下,依次向混合液中按摩尔比:柠檬酸:Zr4+=0.4:1加入柠檬酸1.32g,按质量比聚乙二醇:Zr4+=1:7.5加入聚乙二醇0.19g,其中,聚乙二醇的数均分子量为20000,按摩尔比甲酰胺:Zr4+=2:1加入甲酰胺1.40g,搅拌5h,得到溶胶。
(4)将溶胶在90℃老化10h,然后经200℃干燥5h得到棕色干凝胶。
(5)将干凝胶在马弗炉中经10℃/min升至1200℃,然后保温1h,随炉降温,得到La2Zr2O7粉体。
本实施例所得La2Zr2O7粉体,颗粒尺寸为纳米级,约为40~80nm,粉体的组成为单一烧绿石相La2Zr2O7。
实施例3
一种本发明制备的单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体,主要有以下步骤:
(1)按摩尔比ZrOCl2·8H2O:H2O:C2H5OH=1:6:10,将5.00g ZrOCl2·8H2O缓慢加入到1.68g水和7.14g乙醇的混合液中,不断搅拌,得到透明溶液A液;同时,按摩尔比La(NO3)3·6H2O:H2O:C2H5OH=1:1:10,将6.66g La(NO3)3·6H2O缓慢加0.28g水和7.14g乙醇的混合液中,不断搅拌,得到透明溶液B液;
(2)将A液和B液混合,得到透明的混合溶液,搅拌均匀;
(3)在持续搅拌的条件下,依次向混合液中按摩尔比:柠檬酸:Zr4+=0.2:1加入柠檬酸0.65g,按质量比聚乙二醇:Zr4+=1:5加入聚乙二醇0.28g,其中,聚乙二醇的数均分子量为20000,按摩尔比甲酰胺:Zr4+=1:1加入甲酰胺0.70g,搅拌3h,得到溶胶;
(4)将溶胶在80℃老化15h,然后经120℃干燥6h得到淡黄色干凝胶;
(5)将干凝胶在马弗炉中经5℃/min升至1200℃,保温2h,随炉降温,得到La2Zr2O7粉体。
本实施例所得La2Zr2O7粉体的SEM照片如图4所示,可见所得粉体分散均匀;本实施 例所得La2Zr2O7粉体的TEM照片如图5所示,可见粉体的颗粒尺寸为纳米级,约20~80nm;本实施例所得La2Zr2O7粉体的XRD谱图如图6所示,可见粉体的相组成单一,结构为烧绿石型,且结晶性良好。
实施例4
一种本发明制备的单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体,主要有以下步骤:
(1)按摩尔比Zr(NO3)4·5H2O:H2O:C2H5OH=1:8:10,将5.00g Zr(NO3)4·5H2O缓慢加入到1.66g水和5.31g乙醇的混合液中,不断搅拌,得到透明溶液A液;同时,按摩尔比LaCl3·6H2O:H2O:C2H5OH=1:1:10,将2.86g LaCl3·6H2O缓慢加0.21g水和5.31g乙醇的混合液中,不断搅拌,得到透明溶液B液;
(2)将A液和B液等混合,得到透明的混合溶液,搅拌均匀;
(3)在持续搅拌的条件下,依次向混合液中按摩尔比:柠檬酸:Zr4+=0.1:1加入柠檬酸0.24g,按质量比聚乙二醇:Zr4+=1:7.5加入聚乙二醇0.14g,其中,聚乙二醇的数均分子量为20000,按摩尔比甲酰胺:Zr4+=1:1加入甲酰胺0.52g,搅拌5h,得到溶胶;
(4)将溶胶在80℃老化20h,然后经120℃干燥5h得到淡黄色干凝胶;
(5)将干凝胶在马弗炉中经5℃/min升至1200℃,保温2h,随炉降温,得到La2Zr2O7粉体。
本实施例所得La2Zr2O7粉体,颗粒尺寸为纳米级,约为20~90nm,粉体的组成为单一烧绿石相La2Zr2O7。
Claims (7)
1.一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法,由以下步骤实现:
(1)配制先驱体溶液:
采用金属水合无机盐作为先驱体,采用水和醇的混合液作为溶剂,将含Zr4+和La3+的水合无机盐分别缓慢加入到水和醇的混合液中,持续搅拌溶解,得到两种先驱体溶液,各组分摩尔含量比分别为:Zr4+:H2O:醇=1:5~8:10,La3+:H2O:醇=1:0.5~2:10;
(2)制备溶胶:
将两种溶液按组分摩尔比Zr4+:La3+=1:1混合并持续搅拌,依次加入柠檬酸,摩尔比为柠檬酸:Zr4+=0.1~0.4:1;加入聚乙二醇,组分质量比为:聚乙二醇:Zr4+=1:1~7.5;加入甲酰胺或N-甲基甲酰胺,摩尔比为甲酰胺或N-甲基甲酰胺:Zr4+=0.1~2:1,将上述混合液持续搅拌1~5h,形成溶胶;
(3)老化:
将溶胶在60~90℃下进行保温老化,持续10~24h,得到湿凝胶;
(4)干燥:
将湿凝胶在100~200℃干燥,干燥时间为5~10h,得到干凝胶;
(5)高温焙烧:
将干凝胶经1~10℃/min的升温速率升至1000~1200℃后再保温1~5h,随炉降温,得到La2Zr2O7粉体。
2.权利要求1所述一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法,其特征在于:含Zr4+的水合无机盐为ZrOCl2·8H2O或Zr(NO3)4·5H2O,含La3+的水合无机盐为La(NO3)3·6H2O或LaCl3·6H2O。
3.权利要求1所述一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法,其特征在于:所述醇类溶剂为甲醇、乙醇或丙醇。
4.权利要求3所述一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法,其特征在于:所述醇类溶剂为乙醇。
5.权利要求1所述一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法,其特征在于:老化在80℃条件下保温15h。
6.权利要求1所述一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法,其特征在于:120℃条件下干燥6h。
7.权利要求1所述一种单相烧绿石型La2Zr2O7纳米粉体的制备方法,其特征在于:高温焙烧以5℃/min升至1200℃,保温2h后随炉降温。
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