RU2769683C1 - Method for producing zirconium dioxide powders with a spheroidal particle shape with a stabilizing component content of 20 to 60 wt. % - Google Patents

Method for producing zirconium dioxide powders with a spheroidal particle shape with a stabilizing component content of 20 to 60 wt. % Download PDF

Info

Publication number
RU2769683C1
RU2769683C1 RU2021105638A RU2021105638A RU2769683C1 RU 2769683 C1 RU2769683 C1 RU 2769683C1 RU 2021105638 A RU2021105638 A RU 2021105638A RU 2021105638 A RU2021105638 A RU 2021105638A RU 2769683 C1 RU2769683 C1 RU 2769683C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solution
zirconium
salts
content
group
Prior art date
Application number
RU2021105638A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Владимирович Буйначев
Максим Алексеевич Машковцев
Нина Валерьевна Жиренкина
Евгений Олегович Бакшеев
Original Assignee
Сергей Владимирович Буйначев
Максим Алексеевич Машковцев
Нина Валерьевна Жиренкина
Евгений Олегович Бакшеев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Владимирович Буйначев, Максим Алексеевич Машковцев, Нина Валерьевна Жиренкина, Евгений Олегович Бакшеев filed Critical Сергей Владимирович Буйначев
Priority to RU2021105638A priority Critical patent/RU2769683C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2769683C1 publication Critical patent/RU2769683C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J13/00Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/0004Preparation of sols
    • B01J13/0008Sols of inorganic materials in water
    • B01J13/0013Sols of inorganic materials in water from a precipitate
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J13/00Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/0052Preparation of gels
    • B01J13/0056Preparation of gels containing inorganic material and water
    • B01J13/006Preparation of gels containing inorganic material and water by precipitation, coagulation, hydrolyse coacervation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J13/00Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/02Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/04Making microcapsules or microballoons by physical processes, e.g. drying, spraying
    • B01J13/046Making microcapsules or microballoons by physical processes, e.g. drying, spraying combined with gelification or coagulation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G25/00Compounds of zirconium
    • C01G25/006Compounds containing, besides zirconium, two or more other elements, with the exception of oxygen or hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G25/00Compounds of zirconium
    • C01G25/02Oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

FIELD: chemical industry.
SUBSTANCE: invention relates to the chemical industry and powder metallurgy and can be used in plasma spraying, slip casting, laser sintering. First, a general solution of hydrolysis-resistant inorganic zirconium salts and metal salts of group 3 of the Periodic table of chemical elements selected from scandium, yttrium, lanthanum or lanthanides is prepared in an aqueous solution in an amount that ensures the content of the latter up to 20% of the final mass of the composition in terms of oxides. The precipitating solution is prepared by dissolving alkali metal hydroxides or ammonia in water. Then the hydroxy compounds of zirconium and these metals are precipitated by dosing the prepared solutions into the reaction vessel while stirring and maintaining a constant pH from 5.0 to 6.5 inclusive due to the controlled introduction of the precipitating solution. The resulting precipitate is separated from the mother solution. Then the second part of the solution of these group 3 metal salts is introduced while maintaining a constant pH from 5.0 to 6.5 inclusive due to the controlled introduction of a precipitator solution until the content of these salts containing stabilizing components reaches from 20 to 60% of the final mass of the composition in terms of oxides. The resulting suspension is evaporated with stirring until a precipitate is formed, which is dried and fired.
EFFECT: resulting powder materials based on zirconium dioxide have a regular spheroidal particle shape with a narrow size distribution.
1 cl, 4 dwg, 5 ex

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

Изобретение относится к технологии получения оксидных порошковых материалов, в частности к технологии получения порошковых материалов на основе диоксида циркония со сфероидальной формой частиц с содержанием стабилизирующих компонентов от 20 до 60 массовых процентов, которые могут быть использованы для получения керамики, покрытий, сорбентов и катализаторов, в том числе электродов и электролитов высокотемпературных электрохимических устройств.The invention relates to a technology for producing oxide powder materials, in particular to a technology for producing powder materials based on zirconium dioxide with a spheroidal particle shape containing stabilizing components from 20 to 60 mass percent, which can be used to produce ceramics, coatings, sorbents and catalysts, in including electrodes and electrolytes of high-temperature electrochemical devices.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ДАННОМУ ИЗОБРЕТЕНИЮBACKGROUND OF THE INVENTION

Диоксид циркония широко используется при создании керамики и покрытий, сорбентов и катализаторов, электродов и электролитов высокотемпературных электрохимических устройств. Форма и размер частиц являются одними из важнейших технологических параметров порошковых материалов, которые могут быть определяющими при их использовании в различных областях техники. Узкофракционированные порошки с правильной формой близкой к сферической обеспечивают высокую сыпучесть и насыпную плотность порошковых материалов, низкие гидро- и аэродинамические сопротивления частиц. Порошковые материалы на основе диоксида циркония с содержанием стабилизирующих компонентов от 20 до 60 массовых процентов позволяют получать защитные покрытия с улучшенными теплозащитными свойствами и стабильностью при высоких температурах. Поэтому задача формирования узкофракционированных порошковых материалов на основе диоксида циркония с правильной формой частиц и повышенным содержанием стабилизирующих компонентов от 20 до 60 массовых процентов является весьма актуальной.Zirconium dioxide is widely used in the creation of ceramics and coatings, sorbents and catalysts, electrodes and electrolytes of high-temperature electrochemical devices. The shape and size of particles are among the most important technological parameters of powder materials, which can be decisive when they are used in various fields of technology. Narrow fractionated powders with a regular shape close to spherical provide high flowability and bulk density of powder materials, low hydro- and aerodynamic resistance of particles. Powder materials based on zirconium dioxide with a content of stabilizing components from 20 to 60 mass percent make it possible to obtain protective coatings with improved heat-shielding properties and stability at high temperatures. Therefore, the task of forming narrowly fractionated powder materials based on zirconium dioxide with the correct shape of particles and an increased content of stabilizing components from 20 to 60 mass percent is very relevant.

Известен способ получения керамических монодисперсных сфер ZrO2 с размером 200 и более микрометров (X. Rui, Ch. Jiansong, Zh. Shijiao, H. Shaochang, Zh. Xingyu, L. Jianjun, D. Changsheng, M. Jingtao. Preparation of monodisperse ZrO2 ceramic microspheres (> 200 μm) by coaxial capillary microfluidic device assisted internal gelation process. Ceram. Int., Volume 45, (2019), рр. 19627-19634. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06.210) включающий в себя приготовление раствора прекурсора путем смешения нитрата циркония и шестиводного нитрата иттрия, добавление к раствору прекурсора концентрированной азотной кислоты, приготовление раствора гексаметилентетрамина с определенным количеством мочевины, смешение растворов, формирование капель золя с диспергированием их в масло при температуре 90°С с формированием гель-сфер, после чего гель-сферы промывали трихлорэтиленом и раствором аммиака, подвергали гидротермальной обработке при 200°С, после промывали деионизированной водой и метиловым эфиром пропиленгликоля, проводили сушку и термообработку. Преимуществами способа является получение монодисперсных сферических частиц диоксида циркония, регулирование размера частиц за счет изменения размера капель. Недостатком способа является работа с большим количеством органических соединений нагретых до высокой температуры, большое количество стадий процесса получения конечного порошкового материала. Отсутствуют сведения о возможности получения порошковых материалов на основе диоксида циркония с расширенным диапазоном концентраций стабилизирующих компонентов.A known method for producing ceramic monodisperse ZrO2 spheres with a size of 200 or more micrometers (X. Rui, Ch. Jiansong, Zh. Shijiao, H. Shaochang, Zh. Xingyu, L. Jianjun, D. Changsheng, M. Jingtao. Preparation of monodisperse ZrO2 ceramic microspheres (> 200 μm) by coaxial capillary microfluidic device assisted internal gelation process Ceram Int., Volume 45, (2019), pp. 19627-19634 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06 .210) which includes preparing a precursor solution by mixing zirconium nitrate and yttrium hexahydrate nitrate, adding concentrated nitric acid to the precursor solution, preparing a solution of hexamethylenetetramine with a certain amount of urea, mixing solutions, forming sol droplets and dispersing them into oil at a temperature of 90 ° C with the formation of gel spheres, after which the gel spheres were washed with trichlorethylene and ammonia solution, subjected to hydrothermal treatment at 200°C, then washed with deionized water and methyl ether ohm of propylene glycol, drying and heat treatment were carried out. The advantages of the method are the production of monodisperse spherical particles of zirconium dioxide, the regulation of the particle size by changing the size of the droplets. The disadvantage of this method is the work with a large number of organic compounds heated to a high temperature, a large number of stages in the process of obtaining the final powder material. There is no information about the possibility of obtaining powder materials based on zirconium dioxide with an extended range of concentrations of stabilizing components.

Известен способ [Патент RU 2235686, приор. от 04.01.2003, опубл. 10.09.2004, МПК C01G 25/02, C25B 1/00, B01J 20/06] получения сферогранулированных порошковых материалов на основе гидроксида и оксида циркония, включающий в себя растворение карбоната циркония в соляной кислоте до достижения атомного отношения Cl/Zr в растворе 0,8-1,8, электролиз хлоридного раствора при температуре 40-100°С до атомного отношения Cl/Zr, равного 0,2-0,5, введение в образовавшийся золь растворимого соединения металла III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, диспергирования золя в гелирующую среду, отделение образовавшихся гель-сфер, их отмывку, сушку и термообработку. Преимуществом описанного способа является возможность использовать в качестве гелирующей среды водного раствора аммиака или щелочи, которая обеспечивается за счет получения высоковязкого золя циркония на стадиях растворения карбоната и электролиза раствора. Существенными недостатками способа являются сложность и многостадийность процесса, необходимость работы с соляной кислотой, что обуславливает необходимость тщательной отмывки полученных гельсфер от остаточных ионов хлора, трудности получения порошковых материалов с узким распределением частиц по размерам на уровне 10-60 мкм. Отсутствуют сведения о возможности получения порошковых материалов на основе диоксида циркония с содержанием стабилизирующего компонента больше 20 массовых процента.A known method [Patent RU 2235686, prior. dated 04.01.2003, publ. 09/10/2004, IPC C01G 25/02, C25B 1/00, B01J 20/06] obtaining spherical powder materials based on zirconium hydroxide and oxide, which includes the dissolution of zirconium carbonate in hydrochloric acid until the Cl/Zr atomic ratio in solution is 0 ,8-1.8, electrolysis of a chloride solution at a temperature of 40-100 ° C to an atomic ratio of Cl / Zr equal to 0.2-0.5, introduction of a soluble compound of a metal of group III of the Periodic system of D.I. Mendeleev, dispersion of the sol into a gelling medium, separation of the formed gel spheres, their washing, drying and heat treatment. The advantage of the described method is the ability to use an aqueous solution of ammonia or alkali as a gelling medium, which is provided by obtaining a highly viscous zirconium sol at the stages of carbonate dissolution and solution electrolysis. Significant disadvantages of the method are the complexity and multi-stage process, the need to work with hydrochloric acid, which necessitates thorough washing of the obtained gel spheres from residual chlorine ions, the difficulty in obtaining powder materials with a narrow particle size distribution at the level of 10-60 microns. There is no information about the possibility of obtaining powder materials based on zirconium dioxide with a stabilizing component content of more than 20 mass percent.

Альтернативным подходом для формирования частиц диоксида циркония с правильной формой является электрооплавление частиц диоксида циркония и стабилизирующего компонента. Известен способ [Патент US 6893994, приор. от 13.08.2002, опубл. 19.02.2004, МПК C23C-004/10] формирования химически однородных частиц диоксида циркония, включающий в себя электроплавление диоксида циркония и стабилизирующего компонента, охлаждение и термическую обработку полученного порошкового материала. Технический результат - формирование преимущественно сферических полых частиц с размером менее 200 мкм. Преимущество предложенного способа - возможность получать полые частицы, возможность широко варьировать содержание стабилизирующего компонента. Существенными недостатками способа являются трудность получения порошковых материалов с узким распределением частиц по размерам на уровне 10-60 мкм и высокие затраты электроэнергии для плавления.An alternative approach for forming well-shaped zirconia particles is the electromelting of zirconia particles and a stabilizing component. A known method [Patent US 6893994, prior. dated 13.08.2002, publ. 19.02.2004, IPC C23C-004/10] the formation of chemically homogeneous particles of zirconium dioxide, which includes electrofusion of zirconium dioxide and a stabilizing component, cooling and heat treatment of the resulting powder material. The technical result is the formation of predominantly spherical hollow particles with a size of less than 200 microns. The advantage of the proposed method is the ability to obtain hollow particles, the ability to widely vary the content of the stabilizing component. Significant disadvantages of the method are the difficulty in obtaining powder materials with a narrow particle size distribution at the level of 10-60 μm and high energy costs for melting.

Наиболее близкий способ получения сфероидальных частиц на основе диоксида циркония описан в патенте [Патент RU 2714452, приор. от 28.09.2019, опубл. 17.02.2020, МПК B22F 9/24, C25B 1/20, C23C 4/11]. Способ включает в себя приготовление водных растворов солей циркония и металлов 3 группы ПСХЭ, приготовление раствора-осадителя путем растворения гидроксидов щелочных металлов или аммиака в воде, осаждение гидроксосоединений циркония и выбранных металлов путем дозирования общего раствора в реакционный объем, в котором осуществляют перемешивание и поддерживают постоянное значение рН за счет контролируемого введения раствора-осадителя, отделение осадка, сушку и термообработку. Преимуществами этого способа является образование сфероидальных частиц в водной среде, небольшое количество стадий процесса получения порошкового материала, возможность регулирования размера частиц за счет изменения длительности осаждения. Недостатком способа является невозможность получения порошковых материалов на основе диоксида циркония с содержанием стабилизирующего компонента от 20 до 60 массовых процентов.The closest way to obtain spheroidal particles based on zirconium dioxide is described in the patent [Patent RU 2714452, prior. dated 28.09.2019, publ. 02/17/2020, IPC B22F 9/24, C25B 1/20, C23C 4/11]. The method includes the preparation of aqueous solutions of salts of zirconium and metals of the 3rd group of PSCE, the preparation of a precipitant solution by dissolving alkali metal or ammonia hydroxides in water, the precipitation of hydroxo compounds of zirconium and selected metals by dosing the total solution into the reaction volume, in which mixing is carried out and a constant temperature is maintained. pH value due to the controlled introduction of the precipitant solution, separation of the precipitate, drying and heat treatment. The advantages of this method are the formation of spheroidal particles in an aqueous medium, a small number of stages in the process of obtaining powder material, the possibility of controlling the particle size by changing the duration of deposition. The disadvantage of this method is the impossibility of obtaining powder materials based on zirconium dioxide containing a stabilizing component from 20 to 60 mass percent.

Таким образом технической проблемой, стоящей перед авторами настоящего изобретения, является преодоление вышеописанных недостатков, а именно расширение диапазона содержаний стабилизирующих компонентов с сохранением правильной формы частиц и узкого распределения частиц по размерам при использовании метода осаждения при поддерживании постоянного значения рН.Thus, the technical problem facing the authors of the present invention is to overcome the above described disadvantages, namely the expansion of the range of contents of stabilizing components while maintaining the correct particle shape and narrow particle size distribution using the precipitation method while maintaining a constant pH value.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в расширении диапазона содержаний стабилизирующих компонентов с сохранением правильной формы частиц и узкого распределения частиц по размерам. Заявленный способ получения порошковых материалов на основе диоксида циркония с содержанием стабилизирующего компонента от 20 до 60 массовых процентов включает в себя следующие стадии:The technical result achieved in the implementation of the invention is to expand the range of contents of the stabilizing components while maintaining the correct shape of the particles and a narrow particle size distribution. The claimed method for obtaining powder materials based on zirconium dioxide with a stabilizing component content of 20 to 60 mass percent includes the following steps:

- приготовление устойчивой к гидролизу водорастворимой соли циркония;- preparation of hydrolysis-resistant water-soluble salt of zirconium;

- приготовление устойчивых к гидролизу водорастворимых солей металлов 3 группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (ПСХЭ Д.И. Менделеева), выбранных из числа скандия, иттрия, лантана и лантаноидов;- preparation of hydrolysis-resistant water-soluble salts of metals of the 3rd group of the Periodic Table of Chemical Elements D.I. Mendeleev (PSCE D.I. Mendeleev), selected from among scandium, yttrium, lanthanum and lanthanides;

- смешение водного раствора соли циркония и части водного раствора солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева с формированием общего раствора солей металлов;- mixing an aqueous solution of a zirconium salt and a part of an aqueous solution of metal salts of the 3rd group of PSCE D.I. Mendeleev with the formation of a common solution of metal salts;

- приготовление раствора-осадителя путем растворения гидроксидов щелочных металлов или аммиака в воде;- preparation of a precipitant solution by dissolving alkali metal hydroxides or ammonia in water;

- осаждение гидратированного оксида циркония путем одновременного дозирования общего раствора солей металлов и раствора осадителя капельным способом в реактор, где происходит постоянное перемешивание реакционного объема и поддерживается значение рН на одном уровне из диапазона значений от 5 до 6,5 включительно за счет контролируемого введения раствора-осадителя;- precipitation of hydrated zirconium oxide by simultaneous dosing of a total solution of metal salts and a solution of a precipitant by drop method into the reactor, where the reaction volume is constantly stirred and the pH value is maintained at the same level from the range of values from 5 to 6.5 inclusive due to the controlled introduction of the precipitant solution ;

- отделение образовавшегося осадка от маточного раствора, введение в осадок раствора второй части солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева при поддержании значения рН суспензии на одном уровне из диапазона значений от 5 до 6,5 включительно за счет контролируемого введения раствора-осадителя;- separation of the precipitate formed from the mother liquor, introduction of the solution of the second part of the salts of metals of the 3rd group of PSCE D.I. Mendeleev while maintaining the pH value of the suspension at the same level from the range of values from 5 to 6.5 inclusive due to the controlled introduction of the precipitant solution;

- упаривание полученной суспензии, сушка и термообработка осадка.- evaporation of the resulting suspension, drying and heat treatment of the precipitate.

Авторы изобретения исходили из того, что вследствие различия значений рН начала осаждения гидроксосоединений циркония и металлов 3 группы ПСХЭ при увеличении содержания солей металлов 3 группы ПСХЭ в общем растворе, идущем на осаждении, выше чем 20% от массы конечной композиции в пересчёте на оксиды, происходит накопление катионов металлов 3 группы ПСХЭ в жидкой части суспензии, что в свою очередь может привести к образованию твердой фазы гидроксосоединений металлов 3 группы ПСХЭ в месте введения раствора-осадителя в суспензию. Образование отдельной твердой фазы гидроксосоединений металлов 3 группы может приводить к снижению среднего размера частиц порошкового материала, увеличению дисперсии размеров, а также к фазовой неоднородности порошковых материалов после обжига. Для предотвращения описанных нежелательных эффектов авторами изобретения предложено разделить количество вводимых солей металлов 3 группы ПСХЭ на две части. Первую часть солей металлов 3 группы ПСХЭ в количестве от 0 до 20% от массы конечной композиции в пересчете на оксиды предложено вводить в общий раствор, идущий на осаждение. Вторую часть солей металлов 3 группы ПСХЭ предложено вводить в уже сформированный осадок гидратированного диоксида циркония. Авторами изобретения обнаружено, что добавление раствора солей металлов 3 группы ПСХЭ к осадку гидратированного оксида циркония при поддержании постоянного значения рН из диапазона значений от 5,0 до 6,5 включительно за счет контролируемого введения раствора-осадителя с последующим упариванием суспензии позволяет добиться сохранения среднего размера и дисперсии частиц порошков. Последующая термообработка приводит к образованию композиции с однородным фазовым составом, при этом такой оксидный порошковый материал характеризуется узким распределением частиц по размерам и формой частиц близкой к сфероидальной.The authors of the invention proceeded from the fact that due to the difference in the pH values of the onset of precipitation of hydroxo compounds of zirconium and metals of the 3rd group of PSCE, with an increase in the content of salts of metals of the 3rd group of PSCE in the total solution going on precipitation, higher than 20% by weight of the final composition in terms of oxides, accumulation of cations of metals of the 3rd group of PSCE in the liquid part of the suspension, which in turn can lead to the formation of a solid phase of hydroxo compounds of metals of the 3rd group of PSCE at the site of introduction of the precipitant solution into the suspension. The formation of a separate solid phase of hydroxocompounds of Group 3 metals can lead to a decrease in the average particle size of the powder material, an increase in the size dispersion, and also to the phase inhomogeneity of the powder materials after firing. To prevent the described undesirable effects, the authors of the invention proposed to divide the amount of metal salts of the 3rd group of PSCE into two parts. The first part of metal salts of group 3 PSCE in an amount of 0 to 20% by weight of the final composition in terms of oxides is proposed to be introduced into the general solution for precipitation. The second part of metal salts of group 3 PSCE is proposed to be introduced into the already formed precipitate of hydrated zirconium dioxide. The authors of the invention found that adding a solution of salts of metals of the 3rd group of PSCE to a precipitate of hydrated zirconium oxide while maintaining a constant pH value in the range of values from 5.0 to 6.5 inclusive due to the controlled introduction of a precipitant solution with subsequent evaporation of the suspension makes it possible to achieve preservation of the average and dispersion of powder particles. Subsequent heat treatment leads to the formation of a composition with a homogeneous phase composition, while such an oxide powder material is characterized by a narrow particle size distribution and a particle shape close to spheroidal.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

На первой стадии получения порошковых материалов на основе диоксида циркония со сфероидальной формой частиц готовят раствор соли циркония в воде. В качестве соли циркония могут быть использованы устойчивые к гидролизу водорастворимые соли неорганических кислот, в первую очередь нитрат, хлорид или сульфат циркония. Природа аниона соли не оказывает существенного влияния на возможность реализации изобретения. С целью приготовления раствора соли циркония соответствующую соль циркония растворяют в воде. Также возможно приготовление раствора соли циркония путем растворения соединений циркония в соответствующей неорганической кислоте. По преимущественному способу реализации изобретения для приготовления раствора соли циркония используют основной карбонат циркония и азотную кислоту.At the first stage of obtaining powder materials based on zirconium dioxide with spheroidal particles, a solution of zirconium salt in water is prepared. As the zirconium salt, hydrolysis-resistant, water-soluble salts of inorganic acids, especially zirconium nitrate, chloride or sulfate, can be used. The nature of the salt anion does not significantly affect the possibility of implementing the invention. In order to prepare a zirconium salt solution, the corresponding zirconium salt is dissolved in water. It is also possible to prepare a zirconium salt solution by dissolving zirconium compounds in an appropriate inorganic acid. According to the preferred method of implementing the invention, basic zirconium carbonate and nitric acid are used to prepare a zirconium salt solution.

На второй стадии получения порошковых материалов на основе диоксида циркония в водный раствор соли циркония вводят первую часть раствора солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева, выбранных из числа скандия, иттрия, лантана и лантаноидов до достижения содержания стабилизирующего компонента от 0 до 20% массовых в пересчете на оксиды с формированием общего раствора солей металлов. В качестве солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева могут быть использованы устойчивые к гидролизу водорастворимые неорганические соли, в первую очередь нитраты, хлориды или сульфаты соответствующих металлов, выбранных из числа скандия, иттрия, лантана и лантаноидов. Природа аниона соли не оказывает существенного влияния на возможность реализации изобретения. Добавка солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева может быть выполнена как путем растворения солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева в растворе соли циркония в воде, так и путем введения водного раствора солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева в раствор соли циркония. При увеличении количества добавки соединения металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева выше 20% массовых возможно не полное соосаждение металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева выбранных из группы лантана, иттрия или лантаноидов с гидратированным диоксидом циркония, что может приводить к снижению среднего размера частиц порошкового материала, увеличению дисперсии размеров, а также к фазовой неоднородности порошковых материалов после обжига.At the second stage of obtaining powder materials based on zirconium dioxide, the first part of the solution of salts of metals of the 3rd group of PSCE D.I. is introduced into an aqueous solution of a zirconium salt. Mendeleev, selected from among scandium, yttrium, lanthanum and lanthanides until the content of the stabilizing component is from 0 to 20% by weight in terms of oxides with the formation of a common solution of metal salts. As salts of metals of the 3rd group of PSCE D.I. Mendeleev, water-soluble inorganic salts resistant to hydrolysis can be used, primarily nitrates, chlorides or sulfates of the corresponding metals selected from among scandium, yttrium, lanthanum and lanthanides. The nature of the salt anion does not significantly affect the possibility of implementing the invention. Additive of metal salts of group 3 PSCE D.I. Mendeleev can be performed both by dissolving metal salts of the 3rd group of PSCE D.I. Mendeleev in a solution of zirconium salt in water, and by introducing an aqueous solution of salts of metals of the 3rd group of PSCE D.I. Mendeleev in a solution of zirconium salt. With an increase in the amount of the addition of a compound of metals of the 3rd group of PSCE, D.I. Mendeleev above 20% by weight, incomplete coprecipitation of metals of the 3rd group of PSCE D.I. Mendeleev selected from the group of lanthanum, yttrium or lanthanides with hydrated zirconium dioxide, which can lead to a decrease in the average particle size of the powder material, an increase in the size dispersion, and also to phase inhomogeneity of the powder materials after firing.

На третьей стадии готовят раствор-осадитель. В качестве раствора-осадителя может быть использован водный раствор гидроксидов щелочных металлов или аммиака с водородным показателем среды более 7, в том числе водный раствор аммиака, гидроксида натрия или калия. По предпочтительному способу реализации изобретения для осаждения гидратированного оксида циркония используется водный раствор аммиака.At the third stage, a precipitating solution is prepared. An aqueous solution of alkali metal hydroxides or ammonia with a pH value of more than 7, including an aqueous solution of ammonia, sodium or potassium hydroxide, can be used as a precipitating solution. In a preferred embodiment of the invention, aqueous ammonia is used to precipitate the hydrated zirconium oxide.

На четвертой стадии получения порошкового материала на основе диоксида циркония со сфероидальной формой частиц в реакционный объем вводят водную среду. Водная среда необходима для распределения реагентов и продуктов реакции в реакционном объеме на начальном этапе осаждения, а также для обеспечения стабильной работы pH-метра и контроля рН. Количество вводимой в реакционный объем водной среды не является принципиальным. В общем случае с целью снижения объема аппаратов в реакционный объем водят минимальное количество водной среды, необходимое для обеспечения контроля рН и распределения реагентов и продуктов реакции за счет перемешивания. В качестве водной среды может быть использована дистиллированная вода или водные растворы неорганических солей. В общем случае, тип катионов и анионов солей не оказывает существенного влияния на реализацию изобретения, однако добавка солей, обладающих буферной ёмкостью, таких как аммиачные соли, приводит к увеличению инерционности значения рН реакционного объема и облегчает поддержание постоянного значения рН в реакционном объеме на начальном этапе осаждения. At the fourth stage of obtaining a powder material based on zirconium dioxide with a spheroidal particle shape, an aqueous medium is introduced into the reaction volume. An aqueous medium is necessary for the distribution of reagents and reaction products in the reaction volume at the initial stage of precipitation, as well as to ensure stable operation of the pH meter and pH control. The amount of aqueous medium introduced into the reaction volume is not critical. In general, in order to reduce the volume of apparatuses, the minimum amount of an aqueous medium is introduced into the reaction volume, which is necessary to ensure pH control and distribution of reagents and reaction products due to mixing. Distilled water or aqueous solutions of inorganic salts can be used as an aqueous medium. In general, the type of cations and anions of salts does not significantly affect the implementation of the invention, however, the addition of salts with a buffer capacity, such as ammonia salts, leads to an increase in the inertia of the pH value of the reaction volume and facilitates maintaining a constant pH value in the reaction volume at the initial stage deposition.

На пятой стадии получения порошкового материала на основе диоксида циркония со сфероидальной формой частиц проводят осаждение гидратированного оксида циркония путем дозирования общего раствора солей металлов, полученного на второй стадии, в реакционный объем в котором в ходе всего процесса осаждения поддерживается перемешивание и постоянное значение рН из диапазона значений от 5 до 6,5 единиц включительно, за счет контролируемого введения раствора-осадителя, полученного на третьей стадии. Под постоянным значением рН в ходе всего процесса осаждения здесь и далее понимается значение, не отличающиеся от выбранного более чем на 0,1 ед., при этом в первые минуты осаждения отклонение рН от заданного значения может превышать значение 0,1 ед. вследствие низкой инерционности реакционного объема. Инерционность реакционного объема в процессе осаждения зависит от большого количества факторов, в первую очередь от состава начальной водной среды, от типа и концентрации используемого раствора-осадителя, от кислотности и общей концентрации солей в общем растворе солей металлов, от соотношения реакционного объема и скоростей введения компонентов. По этой причине длительность установления постоянного значения рН в реакционном объеме варьируется в значительной степени в зависимости от выбранных условий организации процесса осаждения. В общем случае в рамках предложенного способа синтеза значение рН в процессе осаждения считается постоянным, если период установления постоянного значения рН в реакционном объеме не превышает одной десятой части от общей длительности процесса осаждения. Постоянное значение рН в процессе осаждения обеспечивается за счет регулируемого независимого дозирования общего раствора солей металлов, имеющего значение рН менее 7, и раствора-осадителя, имеющего значение рН более 7. Регулируемое независимое дозирование растворов может быть выполнено при использовании перистальтических насосов, мембранных насосов, насосов прямого дозирования, центробежных насосов с регулируемой скоростью вращения, а также другими способами. Контроль рН реакционного объема ведут в течение всего процесса осаждения при помощи рН-метров с ион-селективными электродами или при помощи иных систем детектирования рН в растворе.At the fifth stage of obtaining a powder material based on zirconium dioxide with a spheroidal particle shape, hydrated zirconium oxide is precipitated by dosing a total solution of metal salts obtained in the second stage into the reaction volume in which stirring and a constant pH value from the range of values are maintained during the entire precipitation process from 5 to 6.5 units, inclusive, due to the controlled introduction of the precipitant solution obtained in the third stage. Hereinafter, a constant pH value during the entire precipitation process is understood to mean a value that does not differ from the selected one by more than 0.1 units, while in the first minutes of precipitation, the pH deviation from the set value may exceed 0.1 units. due to the low inertia of the reaction volume. The inertia of the reaction volume during the precipitation process depends on a large number of factors, primarily on the composition of the initial aqueous medium, on the type and concentration of the precipitant solution used, on the acidity and total concentration of salts in the total solution of metal salts, on the ratio of the reaction volume and the rates of introduction of the components . For this reason, the duration of establishing a constant pH value in the reaction volume varies to a large extent depending on the chosen conditions for organizing the precipitation process. In the general case, within the framework of the proposed synthesis method, the pH value during the precipitation process is considered constant if the period of establishing a constant pH value in the reaction volume does not exceed one tenth of the total duration of the precipitation process. A constant pH value during the precipitation process is ensured by controlled independent dosing of a total solution of metal salts having a pH value of less than 7, and a precipitant solution having a pH value of more than 7. Controlled independent dosing of solutions can be performed using peristaltic pumps, membrane pumps, pumps direct dosing, variable speed centrifugal pumps, and other methods. The pH of the reaction volume is monitored throughout the entire precipitation process using pH meters with ion-selective electrodes or other systems for detecting pH in solution.

На шестой стадии получения порошкового материала на основе диоксида циркония со сфероидальной формой частиц проводят отделение осадка от маточного раствора. Отделение осадка от маточного раствора возможно способом фильтрации, центрифугирования, декантации или любым другим способом. По преимущественному способу реализации изобретения для отделения осадка от маточного раствора используют метод фильтрации. Затем к осадку добавляют раствор второй части солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева, поддерживая постоянное значение рН из диапазона значений от 5,0 до 6,5 включительно за счет контролируемого введения раствора-осадителя, до достижения содержания оксидов указанных металлов от 20 до 60% от конечной массы композиции в пересчете на оксиды. Далее суспензию выдерживают при перемешивании в течение часа, а затем упаривают до формирования осадка. Упаривание осадка может быть осуществлено разными способами, в том числе при атмосферном или пониженном давлении. По преимущественному способу реализации изобретения упаривания суспензии проводят при использовании ротационного испарителя при пониженном давлении и температуре. At the sixth stage of obtaining a powder material based on zirconium dioxide with a spheroidal particle shape, the precipitate is separated from the mother liquor. Separation of the precipitate from the mother liquor is possible by filtration, centrifugation, decantation or any other method. According to the preferred method of implementing the invention, a filtration method is used to separate the precipitate from the mother liquor. Then, a solution of the second part of metal salts of the 3rd group of PSCE D.I. is added to the precipitate. Mendeleev, maintaining a constant pH value from the range of values from 5.0 to 6.5 inclusive due to the controlled introduction of a precipitant solution, until the content of oxides of these metals is from 20 to 60% of the final mass of the composition in terms of oxides. Next, the suspension is kept under stirring for an hour, and then evaporated until a precipitate forms. Evaporation of the precipitate can be carried out in various ways, including at atmospheric or reduced pressure. According to the preferred method of implementing the invention, the evaporation of the suspension is carried out using a rotary evaporator at reduced pressure and temperature.

После упаривания проводят операции сушки и обжига сформированного осадка. Предпочтительно, сушку осадка проводить при температуре от 30 до 120°С до постоянной массы, а обжиг осадка - при температуре от 300 до 1300°С.After evaporation, the operations of drying and roasting the formed precipitate are carried out. Preferably, the drying of the precipitate is carried out at a temperature of from 30 to 120°C to constant weight, and the firing of the precipitate at a temperature of from 300 to 1300°C.

Возможность реализации изобретения подтверждается примерами.The possibility of implementing the invention is confirmed by examples.

Пример 1Example 1

Этот пример относится к композиции из 40% массовых диоксида циркония и 60% оксида гадолиния.This example refers to a composition of 40% by weight zirconia and 60% gadolinium oxide.

В химический стакан при перемешивании вводят 550 мл дистиллированной воды и 381 грамм карбоната циркония (содержание оксида циркония в карбонате циркония составляет 42% массовых). К полученной суспензии добавляют 178,2 мл концентрированной азотной кислоты (массовая концентрация 71,6%). После полного растворения карбоната циркония в раствор вводят 99,6 грамм нитрата гадолиния шестиводного Gd(NO3)3⋅6H2O до достижения содержания оксида гадолиния 10% массовых от конечной массы композиции. После полного растворения нитрата гадолиния объем раствора доводят до 2000 мл с использованием мерной колбы. Полученный раствор выдерживают при перемешивании в течение 2 часов перед началом осаждения. Параллельно с приготовлением общего раствора солей металлов готовят раствор-осадитель. Для этого в химический стакан вводят 350 мл концентрированного раствора аммиака (массовая концентрация 24%) и 438 мл дистиллированной воды.In a beaker with stirring enter 550 ml of distilled water and 381 grams of zirconium carbonate (the content of zirconium oxide in zirconium carbonate is 42% by weight). To the resulting suspension add 178.2 ml of concentrated nitric acid (mass concentration of 71.6%). After complete dissolution of zirconium carbonate, 99.6 grams of gadolinium nitrate hexahydrate Gd(NO 3 ) 3 ⋅6H 2 O are introduced into the solution until the content of gadolinium oxide reaches 10% by weight of the final weight of the composition. After complete dissolution of gadolinium nitrate, the volume of the solution is adjusted to 2000 ml using a volumetric flask. The resulting solution is kept under stirring for 2 hours before precipitation. In parallel with the preparation of a common solution of metal salts, a precipitating solution is prepared. To do this, 350 ml of concentrated ammonia solution (mass concentration 24%) and 438 ml of distilled water are introduced into the beaker.

Для осуществления осаждения гидратированного оксида циркония со сфероидальной формой частиц в реактор, снабженный мешалкой и датчиком рН, вводят 200 мл дистиллированной воды. Далее при помощи перистальтических насосов проводят контролируемое дозированное введение общего раствора нитратов металлов и водного раствора аммиака в реакционный объём при перемешивании, причем значение рН в реакционном объеме поддерживается постоянным на уровне 5,0±0,1 ед. за счет балансировки скоростей введения обоих растворов.To carry out the precipitation of hydrated zirconium oxide with spheroidal particles, 200 ml of distilled water is introduced into the reactor equipped with a stirrer and a pH sensor. Then, using peristaltic pumps, a controlled dosed introduction of a total solution of metal nitrates and an aqueous solution of ammonia into the reaction volume is carried out with stirring, and the pH value in the reaction volume is maintained constant at the level of 5.0 ± 0.1 units. by balancing the injection rates of both solutions.

После завершения осаждения полученную суспензию отделяют от маточного раствора путем фильтрации, осадок переносят в химический стакан, в который далее вводят 1 л дистиллированной воды, перемешивают, вводят 497,9 грамм нитрата гадолиния шестиводного Gd(NO3)3⋅6H2O в виде водного раствора, при постоянном значении pH равном 5, поддерживаемом за счет контролируемого введения раствора-осадителя до достижения содержания оксида гадолиния 60% массовых от конечной массы композиции. После введения всего объема раствора нитрата гадолиния шестиводного суспензию упаривают при помощи ротационного испарителя. Нагрев суспензии осуществляется при помощи водяной бани с температурой воды 80°С, при этом давление в колбе находится на уровне 200 миллибар.After the precipitation is completed, the resulting suspension is separated from the mother liquor by filtration, the precipitate is transferred into a beaker, into which 1 l of distilled water is then added, stirred, 497.9 grams of gadolinium nitrate hexahydrate Gd(NO 3 ) 3 ⋅ 6H 2 O is added in the form of an aqueous solution, at a constant pH of 5, maintained by the controlled introduction of the precipitant solution until the content of gadolinium oxide reaches 60% by weight of the final mass of the composition. After introducing the entire volume of the solution of gadolinium nitrate hexahydrate, the suspension is evaporated using a rotary evaporator. The heating of the suspension is carried out using a water bath with a water temperature of 80°C, while the pressure in the flask is at the level of 200 millibars.

После завершения отделения влаги полученный осадок извлекают из колбы, помещают в сушильный шкаф и сушат при температуре 100°С в течение 12 часов. После этого осадок обжигают в муфельной печи при температуре 1000°С в течение 2 часов.After the separation of moisture is completed, the resulting precipitate is removed from the flask, placed in an oven and dried at a temperature of 100°C for 12 hours. After that, the precipitate is fired in a muffle furnace at a temperature of 1000°C for 2 hours.

После обжига проводят измерение распределения частиц по размеру при помощи лазерного дифрактометра Analisetta 22 nanotech при использовании зеленого и инфракрасного лазера. Форму частиц исследуют при помощи оптической микроскопии. Фазовый состав исследуют при помощи рентгеновского дифрактометра. Распределение частиц по размерам характеризуют набором различных параметров, D[4,3] - среднеобъемный диаметр частиц, дисперсия размеров - параметр, характеризующий разброс размеров частиц порошкового материала, определяемый отношением (D90-D10)/D50. Описанные параметры распределения частиц образцов по размерам и остальные характеристики для всех примеров представлены на Фиг. 1. Распределение частиц по размерам для образца, полученного по примеру 1, представлено на фигуре 2, оптическая фотография частиц образца по примеру 1 представлена на фигуре 3, фазовый состав порошкового материала представлен на фигуре 4.After firing, the particle size distribution is measured using an Analisetta 22 nanotech laser diffractometer using a green and infrared laser. The shape of the particles is examined using optical microscopy. The phase composition is examined using an X-ray diffractometer. The particle size distribution is characterized by a set of different parameters, D[4,3] is the average volume diameter of the particles, the size dispersion is a parameter characterizing the spread of particle sizes of the powder material, determined by the ratio (D90-D10)/D50. The described particle size distribution parameters of the samples and other characteristics for all examples are shown in FIG. 1. The particle size distribution for the sample obtained according to example 1 is shown in figure 2, the optical photograph of the particles of the sample according to example 1 is shown in figure 3, the phase composition of the powder material is shown in figure 4.

Пример 2Example 2

Этот пример относится к композиции из 52% массовых диоксида циркония и 48% оксида иттрия.This example refers to a composition of 52% by weight zirconia and 48% yttrium oxide.

В химический стакан при перемешивании вводят 550 мл дистиллированной воды и 433,3 грамма карбоната циркония (содержание оксида циркония в карбонате циркония составляет 42% массовых). К полученной суспензии добавляют 202,4 мл концентрированной азотной кислоты. После полного растворения карбоната циркония в раствор вводят 43,8 грамм нитрата иттрия Y(NO3)3 в виде водного раствора для достижения содержания оксида иттрия 5% массовых от конечной массы композиции. После смешения растворов солей объем общего раствора доводят до 2000 мл с использованием мерной колбы. Полученный раствор выдерживают при перемешивании в течение 2 часов перед началом осаждения. Параллельно с приготовлением общего раствора солей металлов готовят раствор осадителя. Для этого в химический стакан вводят 350 мл концентрированного раствора аммиака (массовая концентрация 24%) и 438 мл дистиллированной воды. Осаждение ведут при постоянном значении рН равном 5,0±0,1.In a beaker with stirring enter 550 ml of distilled water and 433.3 grams of zirconium carbonate (the content of zirconium oxide in zirconium carbonate is 42% by weight). To the resulting suspension is added 202.4 ml of concentrated nitric acid. After complete dissolution of zirconium carbonate, 43.8 grams of yttrium nitrate Y(NO 3 ) 3 is introduced into the solution in the form of an aqueous solution to achieve a yttrium oxide content of 5% by weight of the final weight of the composition. After mixing the salt solutions, the volume of the total solution is adjusted to 2000 ml using a volumetric flask. The resulting solution is kept under stirring for 2 hours before precipitation. In parallel with the preparation of a common solution of metal salts, a solution of a precipitant is prepared. To do this, 350 ml of concentrated ammonia solution (mass concentration 24%) and 438 ml of distilled water are introduced into the beaker. Precipitation is carried out at a constant pH value of 5.0±0.1.

После завершения осаждения полученную суспензию отделяют от маточного раствора путем фильтрации, осадок переносят в 1 л дистиллированной воды, перемешивают, вводят 365 грамм нитрата иттрия Y(NO3)3 в виде водного раствора при постоянном значении pH равным 5 поддерживаемым за счет контролируемого введения раствора-осадителя до достижения содержания оксида иттрия 48% массовых от конечной массы композиции. После введения всего объема раствора нитрата иттрия суспензию упаривают также, как описано в примере 1.After the precipitation is completed, the resulting suspension is separated from the mother liquor by filtration, the precipitate is transferred to 1 l of distilled water, mixed, 365 grams of yttrium nitrate Y (NO 3 ) 3 are introduced in the form of an aqueous solution at a constant pH value of 5 maintained by controlled introduction of the solution - precipitant to achieve the content of yttrium oxide 48% by weight of the final weight of the composition. After introducing the entire volume of the yttrium nitrate solution, the suspension is evaporated in the same way as described in example 1.

Сформированный осадок подвергают сушке и обжигу также, как это описано в примере 1.The formed precipitate is dried and fired in the same way as described in example 1.

Пример 3Example 3

Этот пример относится к композиции из 60% массовых диоксида циркония и 40% оксида гадолиния.This example refers to a composition of 60% by weight zirconia and 40% gadolinium oxide.

В химический стакан при перемешивании вводят 450 мл дистиллированной воды и 381 грамм карбоната циркония (содержание оксида циркония в карбонате циркония составляет 42% массовых). К полученной суспензии добавляют 221,8 мл концентрированной соляной кислоты (массовая концентрация 36,2%). После полного растворения карбоната циркония в раствор вводят 111,6 грамма хлорида гадолиния шестиводного GdCl3⋅6H2O для достижения содержания оксида гадолиния 20% массовых от конечной массы композиции. После полного растворения хлорида гадолиния шестиводного объем раствора доводят до 2000 мл с использованием мерной колбы. Полученный раствор выдерживают при перемешивании в течение 2 часов перед началом осаждения. Параллельно с приготовлением общего раствора солей металлов готовят раствор-осадитель так же, как это описано в примере 1. Осаждение ведут при постоянном значении рН равном 6,5±0,1.In a beaker with stirring enter 450 ml of distilled water and 381 grams of zirconium carbonate (the content of zirconium oxide in zirconium carbonate is 42% by weight). To the resulting suspension add 221.8 ml of concentrated hydrochloric acid (mass concentration of 36.2%). After complete dissolution of zirconium carbonate, 111.6 grams of gadolinium chloride hexahydrate GdCl 3 ⋅6H 2 O are introduced into the solution to achieve a gadolinium oxide content of 20% by weight of the final weight of the composition. After complete dissolution of gadolinium chloride hexahydrate, the volume of the solution is adjusted to 2000 ml using a volumetric flask. The resulting solution is kept under stirring for 2 hours before precipitation. In parallel with the preparation of a common solution of metal salts, a precipitant solution is prepared in the same way as described in example 1. Precipitation is carried out at a constant pH value of 6.5±0.1.

После завершения осаждения полученную суспензию отделяют от маточного раствора путем фильтрации, осадок переносят в 1 л дистиллированной воды, перемешивают, вводят 109,6 грамм хлорида гадолиния шестиводного GdCl3⋅6H2O в виде водного раствора при постоянном значении pH равным 6,5 поддерживаемым за счет контролируемого введения раствора-осадителя до достижения содержания оксида гадолиния 40% массовых от конечной массы композиции. После введения всего объема раствора хлорида гадолиния суспензию упаривают также, как описано в примере 1. Сформированный осадок подвергают сушке и обжигу также, как это описано в примере 1.After the precipitation is completed, the resulting suspension is separated from the mother liquor by filtration, the precipitate is transferred into 1 l of distilled water, stirred, 109.6 grams of gadolinium chloride hexahydrate GdCl 3 ⋅6H 2 O are introduced in the form of an aqueous solution at a constant pH value of 6.5 maintained for through the controlled introduction of the solution-precipitant to achieve the content of gadolinium oxide 40% by weight of the final weight of the composition. After introducing the entire volume of the gadolinium chloride solution, the suspension is evaporated in the same way as described in example 1. The formed precipitate is dried and calcined in the same way as described in example 1.

Пример 4Example 4

Этот пример относится к композиции из 70% массовых диоксида циркония и 30% оксида иттербия.This example refers to a composition of 70% by weight zirconia and 30% ytterbium oxide.

В химический стакан при перемешивании вводят 550 мл дистиллированной воды и 432,8 грамма карбоната циркония (содержание оксида циркония в карбонате циркония составляет 42% массовых). К полученной суспензии добавляют 202,3 мл концентрированной азотной кислоты (массовая концентрация 71,6%). После полного растворения карбоната циркония в раствор вводят 71,9 грамм сульфата иттербия восьмиводного Yb2(SO4)3⋅8H2O для достижения содержания оксида иттербия 7% массовых от конечной массы композиции. После полного растворения сульфата иттербия объем раствора доводят до 2000 мл с использованием мерной колбы. Полученный раствор выдерживают при перемешивании в течение 2 часов перед началом осаждения.In a beaker with stirring enter 550 ml of distilled water and 432.8 grams of zirconium carbonate (the content of zirconium oxide in zirconium carbonate is 42% by weight). To the resulting suspension add 202.3 ml of concentrated nitric acid (mass concentration of 71.6%). After complete dissolution of zirconium carbonate, 71.9 grams of ytterbium sulfate eight-water Yb 2 (SO 4 ) 3 ⋅8H 2 O are introduced into the solution to achieve a ytterbium oxide content of 7% by weight of the final mass of the composition. After complete dissolution of ytterbium sulfate, the volume of the solution is adjusted to 2000 ml using a volumetric flask. The resulting solution is kept under stirring for 2 hours before precipitation.

Раствор-осадитель готовят следующим образом: в химический стакан вводят 52,8 г безводного гидроксида натрия и 400 мл дистиллированной воды. За счет перемешивания добиваются полного растворения гидроксида натрия. После полного растворения гидроксида натрия объем раствора доводят до 500 мл с использованием мерной колбы. Осаждение ведут так же, как и описано в примере 1. После завершения осаждения полученную суспензию отделяют от маточного раствора путем фильтрации, осадок переносят в 1 л дистиллированной воды, перемешивают, вводят 237 грамм сульфата иттербия восьмиводного Yb2(SO4)3⋅8H2O в виде водного раствора при постоянном значении pH равным 5 поддерживаемым за счет контролируемого введения раствора-осадителя до достижения содержания оксида иттербия 30% массовых от конечной массы композиции. После введения всего объема раствора сульфата иттербия восьмиводного суспензию упаривают так же, как описано в примере 1. Сформированный осадок подвергают сушке и обжигу так же, как это описано в примере 1.The precipitant solution is prepared as follows: 52.8 g of anhydrous sodium hydroxide and 400 ml of distilled water are introduced into a beaker. By stirring, complete dissolution of sodium hydroxide is achieved. After complete dissolution of sodium hydroxide, the volume of the solution is adjusted to 500 ml using a volumetric flask. Precipitation is carried out in the same way as described in example 1. After precipitation is completed, the resulting suspension is separated from the mother liquor by filtration, the precipitate is transferred to 1 l of distilled water, stirred, 237 grams of ytterbium sulfate octagonal Yb 2 (SO 4 ) 3 ⋅8H 2 are introduced O in the form of an aqueous solution at a constant pH of 5 maintained by the controlled introduction of the precipitant solution until the content of ytterbium oxide reaches 30% by weight of the final mass of the composition. After introducing the entire volume of the solution of ytterbium sulfate eight-water, the suspension is evaporated in the same way as described in example 1. The formed precipitate is subjected to drying and firing in the same way as described in example 1.

Пример 5 (сравнительный)Example 5 (comparative)

Этот пример относится к композиции из 40% массовых диоксида циркония и 60% оксида гадолиния.This example refers to a composition of 40% by weight zirconia and 60% gadolinium oxide.

В химический стакан при перемешивании вводят 550 мл дистиллированной воды и 381 грамм карбоната циркония (содержание оксида циркония в карбонате циркония составляет 42% массовых). К полученной суспензии добавляют 178,2 мл концентрированной азотной кислоты. После полного растворения карбоната циркония в раствор вводят 597,5 грамм нитрата гадолиния шестиводного Gd(NO3)3⋅6H2O до достижения содержания оксида гадолиния 60% массовых от конечной массы композиции в пересчете на оксиды. После полного растворения соли объем раствора доводят до 2000 мл с использованием мерной колбы. Полученный раствор выдерживают при перемешивании в течение 2 часов перед началом осаждения. Осаждение ведут также как описано в примере 1. Далее проводят медленное введение раствора-осадителя в суспензию до достижения значения pH равного 9. Полученную суспензию отделяют от маточного раствора путем фильтрации, затем проводят сушку и обжиг так как описано в примере 1.In a beaker with stirring enter 550 ml of distilled water and 381 grams of zirconium carbonate (the content of zirconium oxide in zirconium carbonate is 42% by weight). To the resulting suspension add 178.2 ml of concentrated nitric acid. After complete dissolution of zirconium carbonate, 597.5 grams of gadolinium nitrate hexahydrate Gd(NO 3 ) 3 ⋅6H 2 O are introduced into the solution until the content of gadolinium oxide reaches 60% by weight of the final weight of the composition in terms of oxides. After complete dissolution of the salt, the volume of the solution is adjusted to 2000 ml using a volumetric flask. The resulting solution is kept under stirring for 2 hours before precipitation. Precipitation is also carried out as described in example 1. Next, the precipitant solution is slowly introduced into the suspension until a pH value of 9 is reached. The resulting suspension is separated from the mother liquor by filtration, then drying and firing are carried out as described in example 1.

Таким образом, из приведенных примеров следует, что осаждение гидратированного оксида циркония с содержанием металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева в общем растворе в диапазоне от 0 до 20% от конечной массы композиции (примеры 1, 2, 3, 4) из растворов различных водорастворимых неорганических солей (примеры 1,3,4) при постоянном значении рН в реакционном объеме из диапазона значений от 5 до 6,5 (примеры 1, 3), при использовании в качестве раствора-осадителя водного раствора аммиака и гидроксидов щелочных металлов (примеры 1, 2, 3, 4), при введении в суспензию раствора второй части солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева до достижения содержания солей этих металлов от 20 до 60% от конечной массы композиции в пересчете на оксиды и дальнейшее упаривание (примеры 1,2,3,4) приводит к образованию сфероидальных частиц, с узким распределением частиц по размерам и однородным фазовым составом порошкового материала, в то время как осаждение при содержании солей металлов 3 группы ПСХЭ Д.И. Менделеева 60% от конечной массы композиции в общем растворе, что выходит за рамки заявленного диапазона (пример 5), при значении pH равным 5 приводит к формированию частиц с высокой дисперсией и неоднородностью фазового состава. Для частиц образцов, полученных по примерам 1, 2, 3, 4, характерен высокий средний размер, низкое значение дисперсии размеров, фазовая однородность и сфероидальная форма по сравнению с образцом 5. Таким образом, предложенный способ синтеза обеспечивает достижение заявленного технического результата.Thus, from the above examples it follows that the deposition of hydrated zirconium oxide with the content of metals of the 3rd group of PSCE D.I. Mendeleev in a common solution in the range from 0 to 20% of the final mass of the composition (examples 1, 2, 3, 4) from solutions of various water-soluble inorganic salts (examples 1,3,4) at a constant pH value in the reaction volume from the range of values from 5 to 6.5 (examples 1, 3), when using an aqueous solution of ammonia and alkali metal hydroxides as a precipitant solution (examples 1, 2, 3, 4), when introducing into the suspension a solution of the second part of metal salts of group 3 PSCE D .AND. Mendeleev until the content of salts of these metals is from 20 to 60% of the final mass of the composition in terms of oxides and further evaporation (examples 1,2,3,4) leads to the formation of spheroidal particles, with a narrow particle size distribution and a homogeneous phase composition of the powder material, while precipitation with the content of metal salts of group 3 PSCE D.I. Mendeleev 60% of the final mass of the composition in the total solution, which is outside the stated range (example 5), at a pH value of 5 leads to the formation of particles with high dispersion and heterogeneity of the phase composition. The particles of samples obtained according to examples 1, 2, 3, 4 are characterized by a high average size, low size dispersion, phase homogeneity and spheroidal shape compared to sample 5. Thus, the proposed synthesis method ensures the achievement of the claimed technical result.

Claims (1)

Способ получения порошковых материалов на основе диоксида циркония со сфероидальной формой частиц, включающий приготовление общего раствора устойчивых к гидролизу в водном растворе неорганических солей циркония и солей металлов 3 группы Периодической системы химических элементов, выбранных из скандия, иттрия, лантана и лантаноидов, в количестве, обеспечивающем содержание последних до 20% от конечной массы композиции в пересчете на оксиды, приготовление раствора-осадителя путем растворения гидроксидов щелочных металлов или аммиака в воде, осаждение гидроксосоединений циркония и выбранных металлов путем дозирования указанных растворов в реакционный объем, в котором осуществляют перемешивание и поддерживают постоянное значение рН за счет контролируемого введения раствора-осадителя, отделение образовавшегося осадка от маточного раствора, сушку и обжиг, отличающийся тем, что на стадии приготовления общего раствора вводят часть указанных солей металлов 3 группы Периодической системы химических элементов, при осаждении поддерживают постоянное значение рН из диапазона значений от 5,0 до 6,5 включительно, в осадок после отделения от маточного раствора вводят вторую часть раствора солей металлов 3 группы Периодической системы химических элементов при поддержании постоянного значения рН из диапазона значений от 5,0 до 6,5 включительно за счет контролируемого введения раствора-осадителя до достижения содержания указанных солей от 20 до 60% от конечной массы композиции в пересчете на оксиды, полученную суспензию упаривают при перемешивании до формирования осадка, который направляют на сушку и обжиг.A method for producing powder materials based on zirconium dioxide with a spheroidal particle shape, including the preparation of a general solution of hydrolysis-resistant inorganic salts of zirconium and metal salts of group 3 of the Periodic Table of chemical elements selected from scandium, yttrium, lanthanum and lanthanides in an aqueous solution, in an amount that provides the content of the latter is up to 20% of the final mass of the composition in terms of oxides, the preparation of a precipitant solution by dissolving alkali metal or ammonia hydroxides in water, the precipitation of hydroxo compounds of zirconium and selected metals by dosing the indicated solutions into the reaction volume, in which mixing is carried out and a constant value is maintained pH due to the controlled introduction of a precipitant solution, separation of the precipitate formed from the mother liquor, drying and roasting, characterized in that at the stage of preparation of the general solution, a part of the indicated metal salts of the 3rd group of the Periodic Table of the Chemical of their elements, during precipitation, a constant pH value is maintained in the range of values from 5.0 to 6.5 inclusive; 5.0 to 6.5 inclusive due to the controlled introduction of a precipitant solution until the content of the indicated salts is reached from 20 to 60% of the final composition weight in terms of oxides, the resulting suspension is evaporated with stirring until a precipitate is formed, which is sent for drying and firing.
RU2021105638A 2021-03-04 2021-03-04 Method for producing zirconium dioxide powders with a spheroidal particle shape with a stabilizing component content of 20 to 60 wt. % RU2769683C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021105638A RU2769683C1 (en) 2021-03-04 2021-03-04 Method for producing zirconium dioxide powders with a spheroidal particle shape with a stabilizing component content of 20 to 60 wt. %

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021105638A RU2769683C1 (en) 2021-03-04 2021-03-04 Method for producing zirconium dioxide powders with a spheroidal particle shape with a stabilizing component content of 20 to 60 wt. %

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2769683C1 true RU2769683C1 (en) 2022-04-05

Family

ID=81075922

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021105638A RU2769683C1 (en) 2021-03-04 2021-03-04 Method for producing zirconium dioxide powders with a spheroidal particle shape with a stabilizing component content of 20 to 60 wt. %

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2769683C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820108C1 (en) * 2023-10-31 2024-05-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method of producing weakly aggregated dispersed zirconium dioxide powder

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040033884A1 (en) * 2002-08-13 2004-02-19 Howard Wallar Plasma spheroidized ceramic powder
RU2235686C1 (en) * 2003-01-04 2004-09-10 Шарыгин Леонид Михайлович Method of preparing spherically granulated zirconium hydroxide or oxide-based materials
KR20150115880A (en) * 2013-02-05 2015-10-14 로디아 오퍼레이션스 Precipitated and calcinated composition based on zirconium oxide and cerium oxide
RU2714452C1 (en) * 2019-09-28 2020-02-17 ООО "Т-Сфера" Method of producing powders of zirconium dioxide with a spheroidal shape of particles

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040033884A1 (en) * 2002-08-13 2004-02-19 Howard Wallar Plasma spheroidized ceramic powder
RU2235686C1 (en) * 2003-01-04 2004-09-10 Шарыгин Леонид Михайлович Method of preparing spherically granulated zirconium hydroxide or oxide-based materials
KR20150115880A (en) * 2013-02-05 2015-10-14 로디아 오퍼레이션스 Precipitated and calcinated composition based on zirconium oxide and cerium oxide
RU2714452C1 (en) * 2019-09-28 2020-02-17 ООО "Т-Сфера" Method of producing powders of zirconium dioxide with a spheroidal shape of particles

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820108C1 (en) * 2023-10-31 2024-05-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method of producing weakly aggregated dispersed zirconium dioxide powder
RU2825401C1 (en) * 2023-11-08 2024-08-26 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method of producing molding powders based on zirconium dioxide for making ceramics

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6766166B2 (en) Preparation method in silver powder production using micro-nano bubbles as seed crystal induction
CN101094810B (en) Composite oxides or hydroxides comprising alumina, zirconia and optionally ceria and/or rare earth oxides for automotive catalyst applications and method of manufacturing
CN101306828B (en) Device and process for preparing rare-earth compound uniform micro powder
JPH01103904A (en) Production of inorganic globular particulates
CN111978761B (en) Zirconate composite material and preparation method and application thereof
KR930006346B1 (en) Mixed oxides of alumina and zirconia and process for their preparation
CN112521147B (en) Preparation method of zirconia 3D printing material and 3D printing material
RU2714452C1 (en) Method of producing powders of zirconium dioxide with a spheroidal shape of particles
CN108367938A (en) Titanium oxide and preparation method thereof
RU2349550C2 (en) Method of preparing zirconium oxides and zirconium based mixed oxides
CN102807239A (en) Method for preparing lanthanide-series rare-earth-doped nanometer YAG (Yttrium Aluminum Garnet) compound powder
RU2769683C1 (en) Method for producing zirconium dioxide powders with a spheroidal particle shape with a stabilizing component content of 20 to 60 wt. %
RU2404125C2 (en) Method of preparing zirconium dioxide nanopowder
CN103754923A (en) Method for preparing superfine cerium oxide
CN101544402B (en) Nanometer zirconia sol and preparation method thereof
CN108609652A (en) A method of preparing Zirconium dioxide nano powder using fused salt
CN108083334A (en) A kind of preparation method of monodisperse spherical nano zirconium dioxide powder body material
Kwaśny et al. Characteristics of selected methods for the synthesis of nanometric zirconium oxide–critical review
CN112125663B (en) Preparation method of monodisperse yttria-stabilized zirconia nano powder
RU2600636C2 (en) Method of producing nanocrystalline powder of zirconium dioxide
US3312628A (en) Uranium dioxide-zirconium dioxide sol preparation
Jadhav Wet Chemical Methods for Nanop article Synthesis
RU2778719C1 (en) Method for producing chromium oxide with a spheroidal shape of particles
JPH07118016A (en) Uniform-composition zirconia solid solution monodisperse fine globular powder and its production
RU2717275C2 (en) Method of producing granulated hydroxyapatite particles