CN104098325A - 一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法 - Google Patents

一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，通过在Al3+和Zr4+的混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌使其溶解完全，随后对混合溶液进行水浴加热生成湿凝胶，然后将湿凝胶进行干燥得到干凝胶，再对干凝胶进行煅烧处理，最后制备得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体，通过本方法制备的Al2O3-ZrO2纳米复合粉体纯度高，成分分布均匀，颗粒尺寸细小，且团聚轻；并且通过调整丙烯酰胺和Al3+的物质的量之比，可以制备出不同粒径的Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。

Description

一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法
技术领域
本发明属于精细化工技术领域，具体涉及一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法。 
背景技术
Al2O3-ZrO2复相陶瓷因具有高机械强度、高韧性、高硬度、优异的热导率、良好的化学稳定性，而具有广阔的应用前景。制备Al2O3-ZrO2复相陶瓷的前提是制备粒径小、粒度分布窄、化学成分均匀、颗粒团聚轻的Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。因此，Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的制备一直备受人们的关注。 
较常见的制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的方法有溶胶凝胶法和共沉淀法。溶胶凝胶法一般采用Al和Zr的醇盐作原料，经水解形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧，所制备的粉体化学均匀性好、颗粒细小、团聚轻，但是所用原料价格很高，且制备工艺复杂，不适合工业生产。共沉淀法一般采用尿素等作为沉淀剂，Al盐和Zr盐作为原料，控制体系的pH值来得到Al和Zr的共沉淀物，再将共沉淀物进行干燥和锻烧处理得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。共沉淀法操作简便，所用原料价格较为低廉。但由于复合粉体中Al2O3和ZrO2分布不均匀，易导致由其所制备的Al2O3-ZrO2复合陶瓷气孔率高、显微结构不均匀、力学性能较差。其他制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的方法有络合沉淀法和包裹沉淀法。这两种方法能制备出分散性较好的Al2O3-ZrO2纳米复合粉体，但工艺较为复杂，不易控制。 
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，具有环境友好的用于工业化规模生产高纯度、团聚轻、流动性好、尺寸可控的优点。 
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括以下步骤： 
1)使用Al盐和Zr盐配置含有Al和Zr的混合溶液，且溶液中Al和Zr的原子比为(20：1)～(1：10)，且溶液中Al3+浓度为0.005～1mol/L； 
2)向步骤1)制得的混合溶液中按照摩尔比(20～30)：(1～4)：(1～2)依次加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，后搅拌至完全溶解，溶液中丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为(200：1)～(5：1)； 
3)将步骤2)得到的混合溶液在60～90℃的条件下加热20～100min，得到湿凝胶； 
4)将步骤3)制得的湿凝胶进行干燥处理得到干凝胶； 
5)将步骤4)得到的干凝胶在1100～1300℃下进行煅烧处理1～3h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
所述的步骤1)中的Al盐为：Al(NO3)3、AlCl3或Al2(SO4)3；Zr盐为：ZrOCl2、N2O7Zr或ZrCl4。 
所述的步骤1)Al3+浓度为0.01～0.2mol/L。 
所述的Al3+浓度为0.01～0.1mol/L。 
所述的步骤2)丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为(120：1)～(50：1)。 
所述的丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为(120：1)～(80：1)。 
所述的步骤3)的加热方式为水浴加热法。 
所述的步骤4)进行干燥时的温度为50～120℃。 
所述的步骤5)中煅烧温度为1100～1200℃，煅烧时间2h。 
本发明具有以下的有益效果：相比较现有技术，本发明通过在Al3+和Zr4+ 的混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌使其溶解完全，随后对混合溶液进行水浴加热生成湿凝胶，然后将湿凝胶进行干燥得到干凝胶，再对干凝胶进行煅烧处理，最后制备得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体，通过本方法制备的Al2O3-ZrO2纳米复合粉体纯度高，成分分布均匀，颗粒尺寸细小，且团聚轻；并且通过调整丙烯酰胺和Al3+的物质的量之比，可以制备出不同粒径的Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
附图说明
图1为实施例1中所制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的X射线衍射谱。 
图2为实施例1中所制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的透射电子显微照片。 
图3为实施例1中所制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的EDS谱。 
图4为实施例2中所制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的透射电子显微照片。 
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。 
参见图1，本发明包括以下步骤： 
1)使用Al盐和Zr盐配置含有Al和Zr的混合溶液，且溶液中Al和Zr的原子比为(20：1)～(1：10)，且溶液中Al3+浓度为0.01～0.1mol/L； 
2)向步骤1)制得的混合溶液中按照摩尔比(20～30)：(1～4)：(1～2)依次加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，后搅拌至完全溶解，溶液中丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为(120：1)～(80：1)； 
3)将步骤2)得到的混合溶液在60～90℃的条件下水浴加热20～100min，得到湿凝胶； 
4)将步骤3)制得的湿凝胶进行干燥处理得到干凝胶，干燥温度50～120℃； 
5)将步骤4)得到的干凝胶在1100～1200℃下进行煅烧处理2h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
步骤1)中的Al盐为：Al(NO3)3、AlCl3或Al2(SO4)3；Zr盐为：ZrOCl2、 N2O7Zr或ZrCl4。 
具体实施例： 
实施例1 
将Al(NO3)3和ZrOCl2溶解于蒸馏水后配制成Al3+浓度为0.04mol/L，Zr4+浓度为0.01mol/L的溶液，然后在混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌溶解完全。混合溶液中丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的摩尔比为24：2：1，丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为120：1；将混合溶液在80℃的条件下进行水浴加热30min，得到湿凝胶，将湿凝胶在80℃的条件下进行干燥处理得到干凝胶；将干凝胶在1100℃的条件下进行煅烧处理2h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
图1为所制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的X射线衍射谱。从图1可以明显看出，所有的衍射峰分别对应于alpha相Al2O3和四方相ZrO2的衍射峰，说明粉体纯度高，无杂相。图2为所制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的透射电子显微照片，可以看出，Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的平均颗粒尺寸约为14nm，几乎无团聚。图3为所制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的X射线能谱(EDS)，结果表明样品中只含有Al、Zr和O元素(其中EDS谱上所显示的Cu元素来自于测试支架上的铜网)，进一步证实了样品的高纯度。 
实施例2 
将Al(NO3)3和ZrOCl2溶解于蒸馏水后配制成Al3+浓度为0.04mol/L，Zr4+浓度为0.01mol/L的溶液，然后在混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌溶解完全。混合溶液中丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的物质的量之比为24：2：1，丙烯酰胺和Al3+的物质的量之比为80：1；将混合溶液在80℃的条件下进行水浴加热30min，得到湿凝胶，将湿凝胶在80℃的条件下进行干燥处理得到干凝胶；将干凝胶在1100℃的条件下进行煅烧处理2h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
图4为所制备Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的透射电子显微照片，可以看出， Al2O3-ZrO2纳米复合粉体平均颗粒尺寸约为19nm，。根据图1和图4，可以看出，通过调整丙烯酰胺和Al3+的物质的量之比，能够控制Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的粒径大小。 
实施例3： 
将AlCl3和N2O7Zr溶解于蒸馏水后配制成Al3+浓度为0.005mol/L，Zr4+浓度为0.00025mol/L的溶液，然后在混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌溶解完全。混合溶液中丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的摩尔比为20：1：4，丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为200：1；将混合溶液在60℃的条件下进行水浴加热100min，得到湿凝胶，将湿凝胶在80℃的条件下进行干燥处理得到干凝胶；将干凝胶在1100℃的条件下进行煅烧处理3h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
实施例4： 
将Al2(SO4)3和ZrCl4溶解于蒸馏水后配制成Al3+浓度为0.5mol/L，Zr4+浓度为0.5mol/L的溶液，然后在混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌溶解完全。混合溶液中丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的摩尔比为20：4：2，丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为50：1；将混合溶液在70℃的条件下进行水浴加热80min，得到湿凝胶，将湿凝胶在120℃的条件下进行干燥处理得到干凝胶；将干凝胶在1150℃的条件下进行煅烧处理2.5h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
实施例5： 
将Al(NO3)3和ZrCl4溶解于蒸馏水后配制成Al3+浓度为0.5mol/L，Zr4+浓度为0.5mol/L的溶液，然后在混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺 和过硫酸铵，经过搅拌溶解完全。混合溶液中丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的摩尔比为30：1：4，丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为50：1；将混合溶液在90℃的条件下进行水浴加热80min，得到湿凝胶，将湿凝胶在120℃的条件下进行干燥处理得到干凝胶；将干凝胶在1150℃的条件下进行煅烧处理2.5h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
实施例6： 
将Al2(SO4)3和N2O7Zr溶解于蒸馏水后配制成Al3+浓度为1mol/L，Zr4+浓度为10mol/L的溶液，然后在混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌溶解完全。混合溶液中丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的摩尔比为25：3.5：1.5，丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为5：1；将混合溶液在85℃的条件下进行水浴加热100min，得到湿凝胶，将湿凝胶在50℃的条件下进行干燥处理得到干凝胶；将干凝胶在1300℃的条件下进行煅烧处理1h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
实施例7： 
将AlCl3和ZrOCl2溶解于蒸馏水后配制成Al3+浓度为0.9mol/L，Zr4+浓度为8.1mol/L的溶液，然后在混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌溶解完全。混合溶液中丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的摩尔比为30：4：1，丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为30：1；将混合溶液在85℃的条件下进行水浴加热90min，得到湿凝胶，将湿凝胶在110℃的条件下进行干燥处理得到干凝胶；将干凝胶在1300℃的条件下进行煅烧处理1h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
本发明最佳的制备方法是将Al盐和Zr盐溶解后形成混合溶液，其中Al3+ 浓度为0.01～0.1mol/L，混合溶液中Al/Zr的原子比在(20：1)～(1：10)之间。在混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌溶解完全。混合溶液中丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的物质的量之比为24：2：1，丙烯酰胺和Al3+的物质的量之比在(120：1)～(80：1)之间；将混合溶液在60～90℃的条件下进行水浴加热30～60min，得到湿凝胶，将湿凝胶在80～90℃的条件下进行干燥处理得到干凝胶；将干凝胶在1100～1200℃的条件下进行煅烧处理2h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 
本发明提供了一种克服现有技术不足，环境友好的用于工业化规模生产高纯度、团聚轻、流动性好、尺寸可控的Al2O3-ZrO2纳米复合粉体的方法。该发明的特征是在Al3+和Zr4+的混合溶液中加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经过搅拌使其溶解完全，随后对混合溶液进行水浴加热生成湿凝胶，然后将湿凝胶进行干燥得到干凝胶，再对干凝胶进行煅烧处理，最后制备得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。 

Claims (9)

1.一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)使用Al盐和Zr盐配置含有Al和Zr的混合溶液，且溶液中Al和Zr的原子比为(20：1)～(1：10)，且溶液中Al3+浓度为0.005～1mol/L；
2)向步骤1)制得的混合溶液中按照摩尔比为(20～30)：(1～4)：(1～2)加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，后搅拌至完全溶解，溶液中丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为(200：1)～(5：1)；
3)将步骤2)得到的混合溶液在60～90℃的条件下加热20～100min，得到湿凝胶；
4)将步骤3)制得的湿凝胶进行干燥处理得到干凝胶；
5)将步骤4)得到的干凝胶在1100～1300℃下进行煅烧处理1～3h，最终得到Al2O3-ZrO2纳米复合粉体。
2.根据权利要求1所述的一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中的Al盐为：Al(NO3)3、AlCl3或Al2(SO4)3；Zr盐为：ZrOCl2、N2O7Zr或ZrCl4。
3.根据权利要求1所述的一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)Al3+浓度为0.01～0.2mol/L。
4.根据权利要求3所述的一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：所述的Al3+浓度为0.01～0.1mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：所述的步骤2)丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为(120：1)～(50：1)。
6.根据权利要求5所述的一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：所述的丙烯酰胺和Al3+的摩尔比为(120：1)～(80：1)。
7.根据权利要求1所述的一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：所述的步骤3)的加热方式为水浴加热法。
8.根据权利要求1所述的一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：所述的步骤4)进行干燥时的温度为50～120℃。
9.根据权利要求1所述的一种Al2O3–ZrO2纳米复合粉体的制备方法，其特征在于：所述的步骤5)中煅烧温度为1100～1200℃，煅烧时间2h。
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