RU2076069C1

RU2076069C1 - Process for preparing finely dispersive zirconium dioxide powder

Info

Publication number: RU2076069C1
Application number: RU93034371A
Authority: RU
Inventors: Ф.А. Дорда; Н.В. Дедов; В.П. Коробцев; И.А. Степанов; С.В. Уткин
Original assignee: Сибирский химический комбинат
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1997-03-27

Abstract

FIELD: technology of manufacture of stabilized zirconium dioxide. SUBSTANCE: colloidal zirconium solution containing yttrium additive is decomposed in plasma. Total content of metal oxides in the solution is 100-160 g/l. Yttrium oxide content in the solution is less than 5% of the total content of metal oxides. Colloidal solution is prepared by treating crushed zirconium oxynitrate with water at temperature not lower than 65 C. Yttrium oxide is added to heated colloidal zirconium salt solution. EFFECT: more efficient preparation process. 3 cl, 4 tbl

Description

Изобретение относится к технологии получения тонкодисперсных порошков диоксида циркония, применяемых в производстве высокопрочных материалов конструкционного и функционального назначения. The invention relates to a technology for the preparation of fine zirconia powders used in the production of high-strength materials of structural and functional purpose.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения порошков диоксида циркония, в том числе и стабилизированного, принятый за прототип и заключающийся в том, что азотнокислый раствор циркония подвергают термическому разложению в высокотемпературном плазменном теплоносителе с последующим выделением порошка диоксида циркония из образующейся пылегазовой смеси. The closest in technical essence to the proposed method is a method for producing zirconia powders, including stabilized, adopted as a prototype and consisting in the fact that the zirconium nitrate solution is subjected to thermal decomposition in a high-temperature plasma coolant with subsequent separation of the zirconia dioxide powder from the resulting dust and gas mixture .

Основным недостатком данного способа является получение порошка с частицами, состоящими в основном из полых поликристаллических сфер. Порошки с такой формой частиц перед спеканием должны быть размолоты, либо раздроблены для приобретения ими чешуйчатой формы, которая способствует их плотной упаковке и получению из них высококачественной керамики. The main disadvantage of this method is to obtain a powder with particles consisting mainly of hollow polycrystalline spheres. Powders with this form of particles must be ground or crushed before sintering in order to acquire a scaly shape, which facilitates their close packing and the production of high-quality ceramics from them.

Задача изобретения получение тонкодисперсных порошков стабилизированного диоксида циркония с чешуйчатой формой частиц, не требующих их предварительного размола. The objective of the invention is the preparation of fine powders of stabilized zirconia with a scaly shape of particles that do not require preliminary grinding.

Это достигается тем, что соль оксинитрата циркония обрабатывают дистиллированной водой из расчета содержания циркония в смеси 100 150 г/л. Полученную суспензию нагревают до температуры 65 70^oС, в результате чего образуется коллоидный раствор тонкодисперсный золь солей циркония. Затем растворяют оксид иттрия. В процессе растворения оксида иттрия температура коллоидного раствора скачкообразно увеличивается до 80 100^oС. Раствор охлаждают, фильтруют и подвергают плазменной термообработке.This is achieved by the fact that the zirconium oxy nitrate salt is treated with distilled water based on the zirconium content in the mixture of 100 to 150 g / l. The resulting suspension is heated to a temperature of 65 70 ^o C, resulting in the formation of a colloidal solution of a finely dispersed sol of zirconium salts. Then, yttrium oxide is dissolved. In the process of dissolution of yttrium oxide, the temperature of the colloidal solution increases stepwise to 80 100 ^o C. the Solution is cooled, filtered and subjected to plasma heat treatment.

Получение тонкодисперсного порошка стабилизированного диоксида циркония с чешуйчатой формой частиц осуществляли следующим образом 10 кг предварительно измельченного оксинитрата циркония с содержанием оксида циркония в соли 3,1 кг размешивали в дистиллированной воде из расчета получения объема смеси 20 л. Полученную смесь нагревали до температур 65 70^oС, после чего в коллоидный раствор циркония вводили 535 г оксида иттрия, при этом температура скачкообразно увеличивалась до 80 90^oС. Раствор выдерживали в данном интервале температур в течение 30 60 мин при постоянном перемешивании сжатым воздухом для полного растворения оксида иттрия, затем фильтровали и подвергали денитрации в плазменной струе электродугового плазмотрона в следующих режимах работы плазмохимической установки:
Суммарная электрическая мощность 130 кВт
Плазмообразующий газ Воздух
Суммарный расход сжатого воздуха на плазмообразование 30 нм³/ч
Расход сжатого воздуха на распыл 4 5 нм³/ч
Расход защитного газа-азота 4 5 нм³/ч
Производительность по раствору 20 30 л/ч
В данных режимах работы установки было переработано 200 л раствора. Усредненные физико-химические характеристики полученных порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия приведены в табл. 1. Там же для сравнения приведены физико-химические характеристики порошков стабилизированного диоксида циркония, полученных по способу прототипу.Obtaining a fine powder of stabilized zirconia with a scaly shape of the particles was carried out as follows: 10 kg of pre-ground zirconium oxynitrate with a content of zirconium oxide in a salt of 3.1 kg was stirred in distilled water based on a mixture volume of 20 l. The resulting mixture was heated to a temperature of 65–70 ^{° C.} , after which 535 g of yttrium oxide was introduced into the zirconium colloidal solution, while the temperature increased stepwise to 80–90 ^° C. The solution was kept in this temperature range for 30–60 min with constant stirring with compressed air for complete dissolution of yttrium oxide, then filtered and denitrated in a plasma jet of an electric arc plasma torch in the following modes of operation of a plasma chemical installation:
Total electric power 130 kW
Plasma gas Air
The total consumption of compressed air for plasma formation 30 nm ³ / h
Compressed air consumption for spraying 4 5 nm ³ / h
Protective gas-nitrogen flow rate 4 5 nm ³ / h
Solution productivity 20 30 l / h
In these operating modes of the installation, 200 l of solution was processed. The averaged physicochemical characteristics of the obtained yttrium oxide stabilized zirconia powders are given in Table. 1. There, for comparison, the physicochemical characteristics of stabilized zirconia powders obtained by the method of the prototype are given.

Как следует из данных табл. 1, порошки, полученные по способу прототипу в основном состоят из полых поликристаллических сфер, в то время как порошки, полученные по предлагаемому способу, из чешуек (пленок), причем насыпная плотность данных порошков и их пикнометрическая плотность превышают данные характеристики порошков-аналогов соответственно в 1.8 и 1.07 раза. Удельная поверхность порошков, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу составила соответственно 9 10 и 3 5 м²/г.As follows from the data table. 1, the powders obtained by the method of the prototype mainly consist of hollow polycrystalline spheres, while the powders obtained by the proposed method are made of flakes (films), and the bulk density of these powders and their pycnometric density exceed these characteristics of the analog powders, respectively 1.8 and 1.07 times. The specific surface of the powders obtained by the proposed method and the prototype method was 9 10 and 3 5 m ² / g, respectively.

Снижение температуры нагрева смеси ниже 65^oС приводит к резкому снижению скорости растворения оксида иттрия и исключает образование золя соли циркония в азотнокислом растворе, что следует из данных, приведенных в табл. 2. Методика растворения заключалась в смешении 10 г оксинитрата циркония с 18 мл воды, нагреве образующейся смеси до заданных температур и растворении при заданных температурах 0,535 г порошка оксида иттрия.A decrease in the heating temperature of the mixture below 65 ^o C leads to a sharp decrease in the dissolution rate of yttrium oxide and eliminates the formation of sols of zirconium salts in a nitric acid solution, which follows from the data given in table. 2. The dissolution method consisted in mixing 10 g of zirconium oxy nitrate with 18 ml of water, heating the resulting mixture to predetermined temperatures and dissolving 0.535 g of yttrium oxide powder at given temperatures.

Как следует из данных, приведенных в табл. 2, в интервале температур 65
80^oС наблюдается практически полный переход циркония в виде золя в раствор и практически полное растворение оксида иттрия в нем. Совместная обработка порошка оксида иттрия с солью оксинитрата циркония водой с последующим нагревом смеси до температуры 70^oС и выше приводит к образованию плотного труднорастворимого осадка, в то время как ввод оксида иттрия в нагретый до 65 70^oС коллоидный раствор соли циркония приводит к практически полному его растворению.As follows from the data given in table. 2, in the temperature range 65
80 ^o With almost complete transition of zirconium in the form of Zola in the solution and almost complete dissolution of yttrium oxide in it. The combined treatment of the powder of yttrium oxide with a salt of zirconium oxy nitrate with water, followed by heating the mixture to a temperature of 70 ^o C and above leads to the formation of a dense insoluble precipitate, while the introduction of yttrium oxide into a colloidal solution of zirconium salt heated to 65 70 ^o C leads to an almost complete its dissolution.

Снижение суммарного содержания оксидов циркония и иттрия в коллоидном растворе приводит к уменьшению содержания чешуек в общем числе частиц порошка. В табл. 3 приведена зависимость содержания чешуек от общего числа частиц порошка от суммарного содержания оксидов циркония и иттрия в коллоидном растворе. A decrease in the total content of zirconium and yttrium oxides in the colloidal solution leads to a decrease in the content of flakes in the total number of powder particles. In the table. Figure 3 shows the dependence of the flake content on the total number of powder particles on the total content of zirconium and yttrium oxides in the colloidal solution.

Из данных табл. 3 следует, что уменьшение содержания оксидов металлов в коллоидном растворе приводит к снижению содержания частиц чешуйчатой формы в порошках, а также к увеличению среднего эффективного диаметра частиц порошка независимо от их формы. From the data table. 3 it follows that a decrease in the content of metal oxides in a colloidal solution leads to a decrease in the content of flake particles in the powders, as well as to an increase in the average effective diameter of the powder particles regardless of their shape.

Снижение содержания оксида иттрия в коллоидном растворе также приводит к уменьшению доли частиц порошка чешуйчатой формы. Данные, полученные при переработке коллоидных растворов циркония с различным содержанием оксида иттрия, приведены в табл. 4. A decrease in the content of yttrium oxide in the colloidal solution also leads to a decrease in the proportion of particles of the powder of a scaly form. The data obtained during the processing of colloidal solutions of zirconium with different yttrium oxide contents are given in table. 4.

Как следует из данных табл. 4, увеличение содержания оксида иттрия в коллоидном растворе соли циркония способствует образованию частиц порошка чешуйчатой формы, содержание которых достигает 90 100% при содержании оксида иттрия и растворе (порошках) 5 16% Следует отметить, что при содержании оксида иттрия в азотнокислом растворе до 5% от суммарного содержания оксидов металлов в порошках наблюдались частицы в виде кристаллитов размерами до 5 мкм в количестве 5 10% содержание которых снижалось по мере увеличения содержания оксида иттрия. As follows from the data table. 4, an increase in the content of yttrium oxide in a colloidal solution of zirconium salt contributes to the formation of flake-shaped powder particles, the content of which reaches 90 100% when the content of yttrium oxide and the solution (powders) 5 16% It should be noted that when the content of yttrium oxide in nitric acid solution is up to 5% From the total content of metal oxides in the powders, particles in the form of crystallites with sizes up to 5 μm in the amount of 5-10% were observed, the content of which decreased as the content of yttrium oxide increased.

Claims

1. A method of obtaining a fine powder of zirconium dioxide, including plasma-chemical decomposition of an aqueous solution of zirconium oxy nitrate, characterized in that the yttrium oxide is added to the solution first and the colloidal solution with a total content of metal oxides of 100 160 g / l is subjected to decomposition.

2. The method according to claim 1, characterized in that the colloidal solution of the zirconium salt is obtained by treating the ground zirconium oxy nitrate with water at a temperature of at least 65 ^° C.

3. The method according to claim 1, characterized in that the yttrium oxide is introduced into the heated colloidal solution of zirconium salts in an amount of not less than 5% of the total content of metal oxides in the solution.