CN1320175C - 一种氧化锌空心四足晶须束的制取方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种氧化锌空心四足晶须束的制取方法，它是以氧化锌、炭粉为原料、聚乙烯醇为粘合剂、蒸馏水为溶剂，通过研磨、过筛、烘干、混合搅拌、配制粘稠溶液、压制圆环坯、高温烧结、冷却、检测分析、包装储存，获取高纯度的氧化锌空心四足晶须束，该制取方法简单，使用设备少，制取成本低，产物收率高，纯度好，其纯度可达99%，原料来源丰富，拓展了化合物氧化锌的用途，可使氧化锌广泛用于声波，光波元件、光电传感器、平面显示器等领域，是十分理想的制取氧化锌空心四足晶须束的方法。

Description

一种氧化锌空心四足晶须束的制取方法

技术领域

本发明涉及一种氧化锌空心四足晶须束的制取方法，属有色金属化合物的制取与生成方法的技术领域。

背景技术

氧化锌是一种多用途的有色金属半导体材料，属宽禁带半导体材料，具有六角纤锌矿型和闪锌矿型的晶体结构，同时具有很高的激子结合能，其化学和热化学性能稳定，氧化锌薄膜具有较好的压电和光电效应，可作为表面声波、声光、光波导元件使用，低电阻的氧化锌薄膜可作为太阳能电池、光电传感器、平板显示器件的窗口材料，其具有的气敏、压敏性可用于制备气敏传感器和压敏传感器，由于氧化锌具有压电、光电、压敏、气敏、发光等多种特性，故具有广泛的应用价值，是二十一世纪最有前途的半导体材料之一。

氧化锌晶须是缺陷极少的单晶纤维，其强度接近理想晶体材料的理论值，是目前发现的固体状的最佳形貌，是力学性能十分优越的新型复合材料的补偿增强剂，晶须的形貌多为棒状或针状，在二十世纪四十年代才发现了四角状的氧化锌晶须，之后才对晶须进行深入研究。

制备氧化锌四足晶须的普遍方法是高温氧化法，进行化合反应和气体保护，用载气与原料进行化学反应并输送反应产物，使产物在催化剂的作用下，沉积于预定的基片上，但产率低，产物的质量和纯度均不够理想。

氧化锌晶须有两种常规形态，一种是纤维状晶须，一种是四针状晶须，而氧化锌晶须的特殊形态是空心四足晶须，其生成方法是十分困难的，而空心四足晶须束的生成更是一项科研空白。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足和科研空白，采用全新的定位生长生成法，不使用载气和催化剂，采用新的制取工艺流程和设备，严格控制烧结温度和时间，简化生成制取方法，使制取氧化锌空心四足晶须束成为可能，以便于使氧化锌在工业上广泛使用和扩展新的用途。

技术方案

本发明使用的化学物质为：氧化锌、炭粉、聚乙烯醇、蒸馏水，其组合配比是：以克、毫升为计量单位

氧化锌：0.5克±0.003克

炭  粉：1.5克±0.003克

聚乙烯醇：0.7克±0.1克

蒸馏水：0.3毫升±0.1毫升

本发明的制取生成方法如下：

1)、精选化学物质

对配比所需的氧化锌、炭粉、聚乙烯醇、蒸馏水要进行精选和纯度控制，

其纯度为：

氧化锌：99.5％

炭粉：99％

聚乙烯醇：99.5％

蒸馏水：99％

2)、分别研磨

对所需的氧化锌、炭粉要分别用玛瑙研钵或专用机械研磨成细粉状，置于不锈钢或无色透明的玻璃容器中。

3)、分别过筛

对研磨后的氧化锌、炭的粉状物用300目的筛网分别进行过筛，进行细度控制，反复研磨、反复过筛，留下细粉，去除粗粉粒。

4)、烘干

对研磨、过筛后的氧化锌、炭的粉状物用烘干箱分别进行烘干，烘干温度为60℃±3℃。

5)、配制原料并混合

对烘干后的氧化锌、炭的细粉按组合配比在不锈钢或无色透明的玻璃容器中进行配制混合。

6)、搅拌、二次研磨

对配制混合后的氧化锌、炭的细粉置于玛瑙研钵中进行搅拌并进行二次研磨，边搅拌、边研磨，使其混合均匀。

7)、配制聚乙烯醇溶液及粘状物

聚乙烯醇、蒸馏水按组合配比所需重量进行混合，在60℃±30℃的加热状态下搅拌均匀，成聚乙烯醇粘稠溶液；

将配制混合研磨后的氧化锌、炭的细粉，置于不锈钢或无色透明的玻璃容器中，然后加入聚乙烯醇粘稠溶液，用磁力搅拌器进行搅拌均匀，使其成为有形的粘糊状物，边搅拌，边加温，加热温度为60℃±3℃。

8)、压制成型

对配制好的粘状物，置于数个圆环形模具中，然后放入专用压制设备，在压制设备的压力下，使粘状物呈圆环形坯状物。

9)、烧结

对压制后的圆环形坯状物置于石英舟中，放入专用烧结炉内进行烧结，置放圆环形坯状物的温度为1000℃，继续升温至1050℃±5℃，并在此温度保温，保温时间为15分钟±1分钟。

氧化锌、炭、聚乙烯醇、蒸馏水压制成的圆环形坯状物在高温烧结过程中将进行化合反应，生成束状黄色产物。

化合反应式如下：

式中：

ZnO——氧化锌

C——炭

PVA——聚乙烯醇

H₂O——蒸馏水

Zn——锌

CO——一氧化炭

CO₂——二氧化碳

O₂——氧气

10)、冷却

对高温烧结、化合反应后生成的束状黄色产物连同石英舟一并置于坩锅容器中，在洁净的空气环境中自然冷却，冷却至20℃±3℃，冷却时间为20-30分钟，冷却后即得到白色束状物，即：氧化锌空心四足晶须束产物。

11)、研磨、过筛

对得到的白色束状产物，置于玛瑙研钵中，在洁净、密闭的环境中进行研磨，然后用300目筛网进行过筛，研磨、过筛后即得到白色氧化锌空心四足晶须粉状产物。

12)、收集产物

对冷却后得到的白色氧化锌空心四足晶须束、研磨过筛后得到的白色氧化锌空心四足晶须粉状物，分别置于无色透明的玻璃容器中，密闭存放。

13)、检测、对比、分析

对氧化锌空心四足晶须束、空心四足晶须粉状物的纯度、形态、形貌、色泽、结构、性能进行检测、对比、分析，用X射线分析仪进行晶体结构、物相对比分析，用场发射扫描电子显微镜进行晶须形貌对比分析，用透射电子显微镜进行晶体微结构分析，用光谱辐射分析仪进行光致发光性能对比分析。

14)、包装储存

对制取的氧化锌空心四足晶须束、空心四足晶须粉状物，分别置于无色透明的玻璃容器内，密闭储存于干燥、阴凉、洁净的环境中，储存温度为20℃±3℃，要严格防水、防潮、防火、防晒、防酸碱侵蚀。

所述的氧化锌空心四足晶须束的圆环形坯状物的烧结，是在专用烧结炉中进行的，置放圆环形坯状物的温度为1000℃，继续升温至1050℃±5℃，并在此温度保温，保温时间为15分钟±1分钟，在洁净的空气环境中自然冷却至20℃±3℃，冷却时间为20-30分钟。

所述的氧化锌空心四足晶须束的颗粒形貌为白色空心四足六棱管状柱形。

效果

本发明与背景技术相比，使生成制取氧化锌空心四足晶须束成为可能，填补了化合物半导体材料氧化锌生成空心四足晶须束的空白，产生了一种新型的空心四足晶须束的颗粒形貌，它采用了压制成型、高温烧结、定位生长生成、冷却的方法获取空心四足晶须束，比过去的高温氧化+载气+催化剂+沉积基板制取四足晶须的方法有了很大进步，使四足晶须束由实体形貌变成了空心管状形貌，该生成制取方法简单、使用设备少、制取成本低，产物收率高，纯度好，其纯度可达99％，原料来源斗富，拓宽了化合物氧化锌的用途，可使氧化锌广泛用于声波、光波元件、光电传感器、平面显示器等领域，是十分理想的制取氧化锌空心四足晶须束的方法。

附图说明

图1为氧化锌空心四足晶须束制取流程图

图2为布料、烧结、保温、冷却温度、时间关系图

图3为衍射强度与衍射峰角度关系图

图4为氧化锌空心四足晶须束光致发光图谱

图5为氧化锌原料粉末光致发光图谱

图6为氧化锌空心四足晶须束形貌图

图7为氧化锌空心四足晶须微观形貌图

实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，生成制取氧化锌空心四足晶须束要严格按照制取流程图进行，各制取数值要严格控制，按序操作。

对制取所需的化学物质材料：氧化锌、炭粉、聚乙烯醇、蒸馏水要严格精选并进行纯度控制，不能有杂质混入，防止生成副产物。

对氧化锌、炭粉的研磨、过筛、烘干要分别进行、筛网以300目为宜，烘干温度为60℃±3℃，氧化锌、炭粉混合后要进行二次研磨，搅拌均匀。

聚乙烯醇、蒸馏水的混合是在加热状态下进行的，蒸馏水加热至60℃±3℃时，加入聚乙烯醇，并保温，要不断搅拌均匀，成聚乙烯醇粘稠溶液，然后将氧化锌、炭粉混合物加入配好的聚乙烯醇溶液，搅拌均匀，成粘状物。

压制粘状物在专用压制机上进行，粘状物置于数个圆环形模具中，压制成圆环形坯状物。

圆环形坯状物在专用烧结炉中进行烧结，并要严格控制布料、烧结温度、时间、冷却速度。

对生成制取的白色束状物、粉状物要分别进行收集、密闭存放。

对制取氧化锌空心四足晶须束所使用的设备：玛瑙研钵、研磨棒、容器、搅拌器、烘干箱、压制机、环形模具、石英产物舟、电烧结炉、温度计、储存器具、检测仪器要保持洁净，不得有污染。

实施例1：

制取氧化锌空心四足晶须束：

精选氧化锌0.5克、炭粉1.5克、聚乙烯醇0.7克、蒸馏水0.3毫升；

将氧化锌0.5克，炭粉1.5克分别置于玛瑙研钵中，用研磨棒分别研磨成细粉，然后用300目的筛网分别进行过筛，反复研磨，反复过筛，留置细粉，去除粗粉；将留置的细粉分别在60℃±3℃的烘干箱中烘干，将烘干后的细粉按组合配比进行混合，并用磁力搅拌器进行均匀搅拌，然后进行二次研磨；

将聚乙烯醇0.7克、蒸馏水0.3毫升在60℃±3℃加热状态下进行混合、搅拌成粘稠状溶液，即聚乙烯醇溶液，然后将混合、二次研磨的氧化锌、炭粉放入聚乙烯醇溶液内，搅拌均匀，成粘状物，然后将粘状物置于数个圆环形模具中，用压制机压制成数个圆环形坯状物；

压制成型的圆环形坯状物置于石英产物舟中，开启烧结炉电源，当烧结炉内的温度升至1000℃时，将石英舟及其中的坯状物一起放入烧结炉内，当温度升至1050℃时，恒温保温15分钟，然后关断烧结炉电源，打开烧结炉，取出石英产物舟及其产物，置于坩埚容器内，在洁净的空气环境中自然冷却至20℃±3℃，石英产物舟内的白色产物即为氧化锌空心四足晶须束。

在烧结过程中氧化锌、炭粉、聚乙烯醇、蒸馏水将进行化合反应、并生长生成晶须束，前述的化合反应式为：

从式中看出：氧化锌、炭、粘合剂聚乙烯醇、溶剂蒸馏水在1050℃的高温作用下，内部分子将进行剧烈运动和重新排列，圆环形坯状物将生成空心管状的四足晶须束，在自然空气的冷却过程中，分子结构更加稳定，表现出晶须束的生长生成特性。

烧结冷却后的产物为白色氧化锌空心四足晶须束，研磨过筛后可得到产物细粉，即白色氧化锌空心四足晶须。

结论：烧结冷却后得到的产物为白色氧化锌空心四足晶须束。

      研磨过筛后得到的产物为白色氧化锌空心四足晶须。

图2是布料、烧结、保温、冷却温度时间关系图，当烧结炉的温度从20℃升至1000℃时，需要240分钟，即E——F区段，相交于D点，然后将盛有产物的石英舟放入烧结炉中，继续升温至1050℃时，恒温保温15分钟，即M——N区段，相交于A、B点，然后关闭烧结炉电源，取出石英产物舟及其产物，在空气环境中冷却至20℃，冷却时间为20-30分钟，即N——P区段。

图3是氧化锌空心四足晶须束的衍射峰相对强度与衍射角度坐标关系图，纵坐标是衍射峰相对强度数值，横坐标是衍射峰2倍衍射角。

图4是氧化锌空心四足晶须光致发光图谱，纵坐标是相对强度值，横坐标是光波纳米波长值。

图5是氧化锌材料光致发光图谱，纵坐标是相对强度值，横坐标是光波纳米波长值。

图6是白色氧化锌空心四足晶须束宏观形貌图，其长弯柱形管状为晶须束。

图7是氧化锌空心四足晶须微观形貌图，用场发射扫描电镜成像，空心四足晶须呈无规则排列。

在制取生成氧化锌空心四足晶须、晶须束的过程中，由于研磨、过筛、搅拌、烘干、压制坯状物、高温烧结、冷却、固态——液态形态转换、化合反应，也会使制取生成的产物颗粒宏观形貌发生微量变化，颗粒微观形貌排列也会有无规则变化，但不影响氧化锌空心晶须、晶须束的光学性能。

烧结生成氧化锌空心四足晶须、晶须束的化学物质配比是在一个预先设置的数值范围内确定的，以克、毫升为制取单位，当进行工业化制取时，以千克、升为制取单位。

Claims (2)

1、一种氧化锌空心四足晶须束的制取方法，其特征在于：本发明使用的化学物质为：氧化锌、炭粉、聚乙烯醇、蒸馏水，其组合配比是：以克、毫升为计量单位

氧化锌：0.5克±0.003克

炭  粉：1.5克±0.003克

聚乙烯醇：0.7克±0.1克

蒸馏水：0.3毫升±0.1毫升

本发明的制取生成方法如下：

1)、精选化学物质

对配比所需的氧化锌、炭粉、聚乙烯醇、蒸馏水要进行精选和纯度控制，其纯度为：

氧化锌：99.5％

炭粉：99％

聚乙烯醇：99.5％

蒸馏水：99％

2)、分别研磨

对所需的氧化锌、炭粉要分别用玛瑙研钵或专用机械研磨成细粉状，置于不锈钢或无色透明的玻璃容器中；

3)、分别过筛

对研磨后的氧化锌、炭的粉状物用300目的筛网分别进行过筛，进行细度控制，反复研磨、反复过筛，留下细粉，去除粗粉粒；

4)、烘干

对研磨、过筛后的氧化锌、炭的粉状物用烘干箱分别进行烘干，烘干温度为60℃±3℃；

5)、配制原料并混合

对烘干后的氧化锌、炭的细粉按组合配比在不锈钢或无色透明的玻璃容器中进行配制混合

6)、搅拌、二次研磨

对配制混合后的氧化锌、炭的细粉置于玛瑙研钵中进行搅拌并进行二次研磨，边搅拌、边研磨，使其混合均匀；

7)、配制聚乙烯醇溶液及粘状物

聚乙烯醇、蒸馏水按组合配比所需重量进行混合，在60℃±30℃的加热状态下搅拌均匀，成聚乙烯醇粘稠溶液；

将配制混合研磨后的氧化锌，炭的细粉，置于不锈钢或无色透明的玻璃容器中，然后加入聚乙烯醇粘稠溶液，用磁力搅拌器进行搅拌均匀，使其成为有形的粘糊状物，边搅拌，边加温，加热温度为60℃±3℃；

8)、压制成型

对配制好的粘状物，置于数个圆环形模具中，然后放入专用压制设备，在压制设备的压力下，使粘状物呈圆环形坯状物；

9)、烧结

对压制后的圆环形坯状物置于石英产物舟中，放入专用烧结炉内进行烧结，置放圆环形坯状物的温度为1000℃，继续升温至1050℃±5℃，并在此温度保温，保温时间为15分钟±1分钟；

氧化锌、炭、聚乙烯醇、蒸馏水压制成的圆环形坯状物在高温烧结过程中将进行化合反应，生成束状黄色产物；

化合反应式如下：

式中：

ZnO——氧化锌

C——炭

PVA——聚乙烯醇

H₂O——蒸馏水

Zn——锌

CO——一氧化炭

CO₂——二氧化碳

O₂——氧气

10)、冷却

对高温烧结、化合反应后生成的束状黄色产物连同石英产物舟一并置于坩锅容器中，在洁净的空气环境中自然冷却，冷却至20℃±3℃，冷却时间为20-30分钟，冷却后即得到白色束状物，即：氧化锌空心四足晶须束产物；

11)、研磨、过筛

对得到的白色束状产物，置于玛瑙研钵中，在洁净、密闭的环境中进行研磨，然后用300目筛网进行过筛，研磨、过筛后即得到白色氧化锌空心四足晶须粉状产物；

12)、收集产物

对冷却后得到的白色氧化锌空心四足晶须束、研磨过筛后得到的白色氧化锌空心四足晶须粉状物，分别置于无色透明的玻璃容器中，密闭存放；

13)、检测、对比、分析

对氧化锌空心四足晶须束、空心四足晶须粉状物的纯度、形态、形貌、色泽、结构、性能进行检测、对比、分析，用X射线分析仪进行晶体结构、物相对比分析，用场发射扫描电子显微镜进行晶须形貌对比分析，用透射电子显微镜进行晶体微结构分析，用光谱辐射分析仪进行光致发光性能对比分析；

14)、包装储存

对制取的氧化锌空心四足晶须束、空心四足晶须粉状物，分别置于无色透明的玻璃容器内，密闭储存于干燥、阴凉、洁净的环境中，储存温度为20℃±3℃，要严格防水、防潮、防火、防晒、防酸碱侵蚀。

2、根据权利要求1所述的一种氧化锌空心四足晶须束的制取方法，其特征在于：所述的氧化锌空心四足晶须束的颗粒形貌为白色空心四足六棱管状柱形。

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