專利名稱：一種二氧化錳摻雜的氧化鉿陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鉿基陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種二氧化錳摻雜的 氧化鉿陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
氧化鉿(Hf02)材料在催化技術(shù)、氧探測(cè)器、高溫燃料電池以及氧化 物半導(dǎo)體裝置中的柵介質(zhì)、光導(dǎo)裝置中有著廣泛的應(yīng)用潛力。氧化鉿(HfOJ 也是一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，熔點(diǎn)高達(dá)3173K，具有與氧化鋯相似的晶體 結(jié)構(gòu)和離子電導(dǎo)性能，但與后者相比，Hf02材料在高溫下的相變溫度比Zr02 高，因此Hf02材料具有更好的抗熱震性能和更高的化學(xué)穩(wěn)定性。在大氣環(huán) 境下，氧化鉿存在三種同質(zhì)異形體，即單斜晶系(m-Hf02)、四方晶系(t-Hf02) 和立方晶系(c-Hf02)。純的Hf02在燒結(jié)后的冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生四方相到單 斜相的馬氏體相變，同時(shí)伴隨有體積變化，導(dǎo)致制備的材料開(kāi)裂，因而限 制了氧化鉿材料在工程上的應(yīng)用。
單一的氧化鉿基材料很難得到大量應(yīng)用，在Hf02材料中摻雜不同離 子，在高溫?zé)Y(jié)時(shí)將形成四方相或立方相固熔體，在冷卻時(shí)可以抑制四方 相向單斜相的轉(zhuǎn)變，這樣在室溫時(shí)就可以獲得四方相或者立方相氧化鉿，
優(yōu)化了材料的性能。特別是對(duì)于半導(dǎo)體中的柵極材料，理論計(jì)算表明，雖 然單斜相的介電常數(shù)較非晶態(tài)氧化鉿的介電常數(shù)小，但是四方相的介電常
數(shù)可以高達(dá)70,因此穩(wěn)定高溫四方相成為氧化鉿材料研究的重要方向。重
稀土離子Dy3+、 Yl^和Y"是最好的摻雜物。但由于地殼中Hf02含量很少
Uug/g),價(jià)格比較昂貴，因此應(yīng)用并不廣泛，相應(yīng)的研究很少
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一 種二氧化錳捧雜的氧化鉿陶瓷材料及其制備方法，其制備工藝簡(jiǎn)明、操作 簡(jiǎn)便且成本低，同時(shí)所制備的氧化鉿陶瓷材料也具有良好的穩(wěn)定性和導(dǎo)電率。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明釆用的技術(shù)方案是 一種二氧化錳摻雜的
四方氧化鉿陶瓷材料，其特征在于由摩爾百分比為20%~50%的摻雜物和 摩爾百分比為50%~80%的氧化鉿Hf02組成，所述摻雜物為過(guò)渡金屬氧化 物二氧化錳Mn02。
制備一種二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料的方法，其特征在于該 方法包括以下步驟
步驟一、按摩爾百分比分別稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02;
步驟二、將稱量好的氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的粉末均倒入研缽進(jìn) 行充分研磨混合，制得混合粉料，其研磨混合時(shí)間為2-5h;
步驟三、采用壓力機(jī)在8~10MPa的壓力下將所述混合粉料壓制成坯
料片；
步驟四、將所述坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)?br>
結(jié)，獲得高溫?zé)Y(jié)片高溫?zé)Y(jié)時(shí)，所述高溫管式爐的升溫速率不大于300 。C/h,燒結(jié)溫度為1300 ~ 1400。C且保溫時(shí)間為12~24h;
步驟五、隨爐冷卻將所述高溫?zé)Y(jié)片隨爐冷卻至室溫后，即獲得二 氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、以氧化鉿為基體， 一種過(guò) 渡金屬氧化物二氧化錳作為摻雜物，釆用固態(tài)燒結(jié)法制備單一摻雜物摻雜 的四方氧化鉿陶瓷，突破了傳統(tǒng)的利用稀土氧化物來(lái)?yè)诫s氧化鉿的局限， 釆用過(guò)渡金屬氧化物來(lái)制備穩(wěn)定氧化鉿，為開(kāi)發(fā)穩(wěn)定氧化鉿技術(shù)提供了新 的思路。2、合成工藝技術(shù)條件及操作方法簡(jiǎn)明，具有準(zhǔn)確、高效、反應(yīng) 條件易控制、反應(yīng)充分等特點(diǎn)。3、制備的二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶 瓷材料具有良好的穩(wěn)定性。綜上所述，本發(fā)明釆用過(guò)渡金屬氧化物二氧化錳作為摻雜物制備四方相氧化鉿材料，制備工藝簡(jiǎn)明、操作簡(jiǎn)便且成本低， 具有高效、反應(yīng)條件易控制等特點(diǎn)；同時(shí)，經(jīng)本發(fā)明制備的氧化錳摻雜的 四方氧化鋯陶瓷材料具有良好的穩(wěn)定性和導(dǎo)電率，是一種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷 材料和固體電解質(zhì)材料，有利于拓展氧化鉿材料的研究領(lǐng)域。
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖1為本發(fā)明的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
如圖1所示，本發(fā)明所述的二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料由摩
爾百分比為20°/。~ 50%的摻雜物和摩爾百分比為50%~80%的氧化鉿Hf02組 成，所述摻雜物為過(guò)渡金屬氧化物二氧化錳Mn02。本實(shí)施例中，氧化鉿Hf02 和二氧化錳Mn02的摩爾百分比分別為75%和25%。
制備上述二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料的方法，包括以下步
驟
步驟一、按摩爾百分比分別稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02。
本實(shí)施例中，由于氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的摩爾百分比為75%和 25%,則將分析純的Hf02和Mn02按照Hf。.75MnQ.2502_s的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱量。
步驟二、將稱量好的氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的粉末均倒入研缽進(jìn) 行充分研磨混合，制得混合粉料，其研磨混合時(shí)間為2-5h。
本實(shí)施例中，研磨用的研缽為瑪瑙研缽，實(shí)際操作中，將稱量好的Hf02 和Mn02粉末倒入瑪瑙研缽中后，進(jìn)行充分的手工混合研磨，制得混合粉料。
步驟三、釆用壓力機(jī)在8~10MPa的壓力下將所述混合粉料壓制成坯 料片。
本實(shí)施例中，釆用壓力機(jī)在8MPa的壓力下將所述混合粉料壓制成尺寸為50隱x 5隱x 2mm的長(zhǎng)方形坯料片。所述坯料片為矩形或圓形片材。
步驟四、將所述坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)?結(jié)，獲得高溫?zé)Y(jié)片高溫?zé)Y(jié)時(shí)，所述高溫管式爐的升溫速率不大于300 °C/h,燒結(jié)溫度為1300 - 140(TC且保溫時(shí)間為12~24h。
本實(shí)施例中，所述高溫管式爐的升溫速率為30(TC/h，燒結(jié)溫度為1300 。C且保溫時(shí)間為12h。
步驟五、隨爐冷卻將所述高溫?zé)Y(jié)片隨爐冷卻至室溫后，即獲得二 氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料(成品)。
本實(shí)施例中，將所述高溫?zé)Y(jié)片隨爐冷卻后，所得到的四方氧化鉿陶 瓷材料經(jīng)XRD檢測(cè)為單一四方相，其在氧化性氣氛(空氣)和還原性氣氛 (Ar-H2氣氛)下具有良好的穩(wěn)定性。
實(shí)施例2
本實(shí)施例中，與實(shí)施例l不同的是所需制備的二氧化錳摻雜的四方氧 化鉿陶瓷材料中，氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的摩爾百分比分別為70%和 30%。
相應(yīng)地，制備所述二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料時(shí)，步驟一中 稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02時(shí)，由于氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的 摩爾百分比為70%和30%,則將分析純的Hf02和Mn02按照Hf。.7Mn。.302—s的化 學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱量；步驟三中采用壓力機(jī)在10MPa的壓力下將經(jīng)混合研磨 后制得的混合粉料壓制成尺寸為50隱x5隨x3腿的長(zhǎng)方形坯料片；步驟四中 將壓制成的坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)時(shí)，所 述高溫管式爐的升溫速率為300°C/h，燒結(jié)溫度為140(TC且保溫時(shí)間為 12h。本實(shí)施例中其余工藝步驟以及工藝參數(shù)均與實(shí)施例l相同。本實(shí)施 例中，將經(jīng)高溫?zé)Y(jié)所獲得的高溫?zé)Y(jié)片隨爐冷卻后，所得到的四方氧化 鉿陶瓷材料經(jīng)XRD檢測(cè)為單一四方相，其在氧化性氣氛(空氣)下具有良好 的穩(wěn)定性。
實(shí)施例3本實(shí)施例中，與實(shí)施例l不同的是所需制備的二氧化錳摻雜的四方氧 化鉿陶瓷材料中，氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的摩爾百分比分別為50%和 50%。
相應(yīng)地，制備所述二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料時(shí)，步驟一中 稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02時(shí)，由于氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的 摩爾百分比為50%和50%,則將分析純的Hf02和Mn02按照Hf。.5Mn。.502-s的化 學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱量；步驟三中釆用壓力機(jī)在lOMPa的壓力下將經(jīng)混合研磨 后制得的混合粉料壓制成尺寸為02O咖x2誦的圓形坯料片；步驟四中將壓 制成的坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)時(shí)，所述高 溫管式爐的升溫速率為200°C/h，燒結(jié)溫度為130(TC且保溫時(shí)間為16h。 本實(shí)施例中其余工藝步驟以及工藝參數(shù)均與實(shí)施例l相同。本實(shí)施例中， 將經(jīng)高溫?zé)Y(jié)所獲得的高溫?zé)Y(jié)片隨爐冷卻后，所得到的四方氧化鉿陶瓷 材料經(jīng)XRD檢測(cè)為單一四方相，其在還原性氣氛(Ar-H2氣氛)下具有良好的穩(wěn)定性。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是 根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu) 變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料，其特征在于由摩爾百分比為20％～50％的摻雜物和摩爾百分比為50％～80％的氧化鉿HfO2組成，所述摻雜物為過(guò)渡金屬氧化物二氧化錳MnO2。
2. 制備權(quán)利要求l所述的一種二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料的 方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、按摩爾百分比分別稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02; 步驟二 、將稱量好的氧化鉿Hf 02和二氧化錳Mn02的粉末均倒入研缽進(jìn) 行充分研磨混合，制得混合粉料，其研磨混合時(shí)間為2-5h;步驟三、釆用壓力機(jī)在S 10MPa的壓力下將所述混合粉料壓制成坯料片；步驟四、將所述坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，獲得高溫?zé)Y(jié)片高溫?zé)Y(jié)時(shí)，所述高溫管式爐的升溫速率不大于300 °C/h,燒結(jié)溫度為1 300 ~ 140(TC且保溫時(shí)間為12~24h;步驟五、隨爐冷卻將所述高溫?zé)Y(jié)片隨爐冷卻至室溫后，即獲得二 氧化錳換雜的四方氧化鉿陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種二氧化錳摻雜的氧化鉿陶瓷材料及其制備方法，其氧化鉿陶瓷材料由摩爾百分比為20％～50％的MnO<sub>2</sub>和摩爾百分比為50％～80％的HfO<sub>2</sub>組成；制備所述氧化鉿陶瓷材料的方法包括以下步驟一、按摩爾百分比分別稱量HfO<sub>2</sub>和MnO<sub>2</sub>；二、將稱量好的HfO<sub>2</sub>和MnO<sub>2</sub>的粉末均倒入研缽進(jìn)行充分研磨混合制得混合粉料；三、用壓力機(jī)在8～10MPa的壓力下將混合粉料壓制成坯料片；四、將坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)獲得高溫?zé)Y(jié)片；五、將高溫?zé)Y(jié)片隨爐冷卻至室溫后獲得成品。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)明、操作簡(jiǎn)便且成本低，同時(shí)所制備的氧化鉿陶瓷材料也具有良好的穩(wěn)定性和導(dǎo)電率。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101508565SQ20091002184
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者馮建情, 盧亞鋒, 李成山, 白利鋒, 果 閆 申請(qǐng)人:西北有色金屬研究院