專利名稱：一種釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的制備方法，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二氧化鋯陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，在催化劑、氧氣敏感傳感器、高溫固態(tài)燃料電池、化學(xué)惰性表面材料、耐火材料，以及生物材料等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，因其抗裂紋孽生和發(fā)展的能力小，純二氧化鋯陶瓷具有極大的脆性，從而作為工程材料在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中都受到了限制。1975年，Garvie將GaO作為改性劑制得部分穩(wěn)定二氧化鋯陶瓷(Ga-PSZ)，首次利用二氧化鋯馬氏體相變?cè)鲰g效應(yīng)提高了材料的韌性和強(qiáng)度；隨后，氧化釔、氧化鎂、氧化銫、氧化鈣等氧化物改性劑用于提高二氧化鋯陶瓷材料韌性的研究得到了廣泛報(bào)道。在各種不同氧化物改性劑穩(wěn)定的二氧化鋯陶瓷中，以氧化釔作為穩(wěn)定劑的四方多晶ZrO2已成為目前應(yīng)用范圍最廣、強(qiáng)度最高的陶瓷材料，特別是氧化釔含量在3 mol%的納米級(jí)3Y-Zr02粉體，已成為高強(qiáng)度陶瓷材料的首選原料。3Y-Zr02納米粉體具有高的比表面能，可以有效促進(jìn)二氧化鋯陶瓷的燒結(jié)、降低陶瓷的燒成溫度、提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。根據(jù)斷裂強(qiáng)度與晶粒尺寸間的Petch理論和3Y-Zr02相變?cè)鲰g機(jī)制可知，材料強(qiáng)度同晶粒尺寸的平方根成反比；在一定范圍內(nèi)顆粒越小，二氧化鋯陶瓷的強(qiáng)度與韌性越高。因此，顆粒均勻的3Y-Zr02納米粉體不僅具有良好的燒結(jié)性能，而且還能制備獲得高韌性的二氧化鋯陶瓷，在高性能陶瓷材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。目前，已有許多3Y_Zr02納米粉體制備方法的研究，已報(bào)道的有溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法、醇-水溶液法、共沸蒸餾法、微波水熱法、反相膠束法以及微乳液法等。如劉金庫(kù)等(中國(guó)專利，公開(kāi)號(hào)CN 101891471 A)以鋯離子(Zr)和釔離子(Y)的無(wú)機(jī)鹽水溶液為原料，通過(guò)溶膠-凝膠法制備獲得了經(jīng)氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯納米粉體。郭貴寶等(稀土，2010，31 (I) :57-60)采用反相微乳液和碳吸附法制備了氧化釔穩(wěn)定四方氧化鋯納米粉體，比表面積為97. 4 m2/g，平均粒徑為9 nm。趙青等(微納電子技術(shù)，2007，7_8 :76-80)采用微波水熱法在100-120 °C制備獲得了氧化釔穩(wěn)定氧化鋯納米粉體。蔣銀花等(無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2006,38(2) :29-31)以廉價(jià)的無(wú)機(jī)鹽氯氧化鋯、硝酸釔、草酸為原料，在不同的溶劑體系條件下，采用溶膠-凝膠法制備獲得釔摻雜的ZrO2 (YSZ)納米粉體。趙今偉(天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006)以氯氧化鋯和氧化釔為原料，氨水為沉淀劑，采用過(guò)氧化氫絡(luò)合共沉淀工藝制備Y-ZrO2納米粉體。溫傳庚等(化工進(jìn)展，2005，24 (3) :283-285)根據(jù)反應(yīng)膠粒析出機(jī)理及實(shí)驗(yàn)原理，采用快速高強(qiáng)度機(jī)械混合方法，制備了分散性好、粒徑小至疒3 nm的無(wú)定形納米氧化鋯前驅(qū)體。前驅(qū)體在550 °C下焙燒，獲得了優(yōu)質(zhì)小粒徑納米氧化鋯粉體。袁正希等(硅酸鹽學(xué)報(bào)，2001，29 (5) :488-491)在水-乙醇溶劑中，干燥由硝酸鋁、硝酸釔和單斜相氧化鋯粉體組成的懸浮液，然后在600 °C熱分解，制備出粒度小于100 nm的Y2O3摻雜單斜相ZrO2粉體。然而，由于鋯離子與釔離子性質(zhì)的不同，在上述溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱合成法等制備3Y-Zr02粉體的過(guò)程中，極易引起同類元素的偏聚而造成鋯離子和釔離子的分布不均，導(dǎo)致制備獲得的3Y-Zr02納米粉體組分分布不均、顆粒尺寸大小不一，并出現(xiàn)硬團(tuán)聚，從而惡化二氧化鋯陶瓷制品的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高度分散鋯離子與釔離子，制備獲得粒徑細(xì)小均勻、氧化釔均勻分布的二氧化鋯納米粉體的方法。本發(fā)明提出的釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的制備方法，包括以下步驟(I)將鋯的無(wú)機(jī)鹽溶解于溶劑中，形成I. O 10. O mol/1的溶液；(2)將釔的無(wú)機(jī)鹽溶解于溶劑中，形成I. O 10. O mol/1的溶液；(3)按釔元素與鋯元素的摩爾比I :50 I :20，將上述溶液(I)與溶液(2)混合；(4)將檸檬酸溶解于乙二醇中，檸檬酸與乙二醇的摩爾比為I :4 I :8 ;(5)按檸檬酸與鋯元素的摩爾比I :1 I :3，將上述溶液(3)與溶液(4)進(jìn)行混合；攪拌均勻后升溫到125 135 °C保溫2 4小時(shí)，繼續(xù)升溫到180 220 °C保溫2 4小時(shí)，得到松脆的黑色物質(zhì)；(6)將上述松脆的黑色物質(zhì)研磨，放入高鋁坩堝中，在600 1100 °C的空氣氣氛下煅燒，得到白色的陶瓷粉體；上述技術(shù)方案中，所述的鋯的無(wú)機(jī)鹽為氧氯化鋯、硝酸鋯、醋酸鋯、氯化鋯和鋯溶膠中的至少一種；所述的溶劑為去離子水和無(wú)水乙醇中的至少一種；所述的釔的無(wú)機(jī)鹽為硝酸釔、醋酸釔、氯化釔和釔溶膠中的至少一種。本發(fā)明有益效果利用檸檬酸對(duì)金屬鋯離子與釔離子的絡(luò)合作用、乙二醇對(duì)金屬鋯離子與釔離子的鍵合和空間位阻作用，使金屬釔離子均勻分布在鋯基體材料中，從而最終能得到粒徑細(xì)小、釔元素分布均勻的納米二氧化鋯粉體。


圖I釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的掃描電鏡2釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的掃描電鏡圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例I :稱取I. O mo I氧氯化鋯溶解于去離子水中形成4. O mol/1的溶液，稱取O. 03 mo I硝酸釔溶解于去離子水中形成2. O mol/1的溶液，將上述兩溶液混合后攪拌均勻。稱取O. 411101檸檬酸溶解于1.8 mol乙二醇中，然后加入到上述溶液中形成混合溶液。將混合溶液攪拌均勻后升溫到130 °C保溫2小時(shí)，然后繼續(xù)升溫到200 °C保溫4小時(shí)，得到松脆的黑色物質(zhì)。將上述松脆的黑色物質(zhì)研磨，放入高鋁坩堝中，在1000 °C的空氣氣氛下煅燒2小時(shí)，即得釔穩(wěn)定的納米二氧化鋯粉體。將上述釔穩(wěn)定的納米二氧化鋯粉體用掃描電鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果表明該粉體的平均粒徑在100 nm左右，粉體顆粒分散均勻，如附圖I。實(shí)施例2:
稱取I. O mol硝酸鋯溶解于無(wú)水乙醇中形成2. O mol/Ι的溶液，稱取O. 04 mol醋酸釔溶解于無(wú)水乙醇中形成1.0 mol/Ι的溶液，將上述兩溶液混合后攪拌均勻。稱取O. 8mol檸檬酸溶解于4. 8 mol乙二醇中，然后加入到上述溶液中形成混合溶液。將混合溶液攪拌均勻后升溫到125 °C保溫2小時(shí)，然后繼續(xù)升溫到190 °C保溫2小時(shí)，得到松脆的黑色物質(zhì)。將上述松脆的黑色物質(zhì)研磨，放入高鋁坩堝中，在600 °C的空氣氣氛下煅燒I小時(shí)，即得釔穩(wěn)定的納米二氧化鋯粉體。將上述釔穩(wěn)定的納米二氧化鋯粉體用掃描電鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果表明該粉體的平均粒徑在30 nm左右，粉體顆粒分散均勻，如附圖2。實(shí)施例3 稱取I. O mol醋酸鋯溶解于無(wú)水乙醇中形成I. O mol/Ι的溶液，稱取0. 02 mol硝酸釔溶解于去離子水中形成1.0 mol/Ι的溶液，將上述兩溶液混合后攪拌均勻。稱取I. Omol檸檬酸溶解于4. O mol乙二醇中，然后加入到上述溶液中形成混合溶液。將混合溶液攪拌均勻后升溫到135 °C保溫4小時(shí)，然后繼續(xù)升溫到220 °C保溫2小時(shí)，得到松脆的黑色物質(zhì)。將上述松脆的黑色物質(zhì)研磨，放入高鋁坩堝中，在900 °C的空氣氣氛下煅燒I小時(shí)，即得釔穩(wěn)定的納米二氧化鋯粉體。將上述釔穩(wěn)定的納米二氧化鋯粉體用掃描電鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果表明該粉體的平均粒徑在90 nm左右，粉體顆粒分散均勻。實(shí)施例4 稱取I. O mol氯化鋯溶解于無(wú)水乙醇中形成2. O mol/Ι的溶液，稱取0. 05 mol氯化釔溶解于去離子水中形成5. O mol/Ι的溶液，將上述兩溶液混合后攪拌均勻。稱取0.5mol檸檬酸溶解于3. O mol乙二醇中，然后加入到上述溶液中形成混合溶液。將混合溶液攪拌均勻后升溫到130 °C保溫2小時(shí)，然后繼續(xù)升溫到210 °C保溫4小時(shí)，得到松脆的黑色物質(zhì)。將上述松脆的黑色物質(zhì)研磨，放入高鋁坩堝中，在1100 °C的空氣氣氛下煅燒I小時(shí)，即得釔穩(wěn)定的納米二氧化鋯粉體。將上述釔穩(wěn)定的納米二氧化鋯粉體用掃描電鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果表明該粉體的平均粒徑在120 nm左右，粉體顆粒分散均勻。
權(quán)利要求
1.一種釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將錯(cuò)的無(wú)機(jī)鹽溶解于溶劑中，形成I.O 10. O mol/1的溶液；(2)將乾的無(wú)機(jī)鹽溶解于溶劑中，形成I.O 10. O mol/1的溶液；(3)按釔元素與鋯元素的摩爾比I:50 I :20，將上述溶液(I)與溶液(2)混合；(4)將檸檬酸溶解于乙二醇中，檸檬酸與乙二醇的摩爾比為I:4 I :8 ;(5)按檸檬酸與鋯元素的摩爾比I:1 I :3，將上述溶液(3)與溶液(4)進(jìn)行混合；攪拌均勻后升溫到125 135 °C保溫2 4小時(shí)，繼續(xù)升溫到180 220 °C保溫2 4小時(shí)， 得到松脆的黑色物質(zhì)；(6)將上述松脆的黑色物質(zhì)研磨，放入高鋁坩堝中，在600 11001的空氣氣氛下煅燒，得到白色的陶瓷粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的制備方法，其特征在于所述的鋯的無(wú)機(jī)鹽為氧氯化鋯、硝酸鋯、醋酸鋯、氯化鋯和鋯溶膠中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的制備方法，其特征在于所述的溶劑為去離子水和無(wú)水乙醇中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的制備方法，其特征在于所述的釔的無(wú)機(jī)鹽為硝酸釔、醋酸釔、氯化釔和釔溶膠中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的釔穩(wěn)定納米二氧化鋯粉體的制備方法，其步驟包括將鋯的無(wú)機(jī)鹽與釔的無(wú)機(jī)鹽分別溶解于溶劑中，然后與檸檬酸的乙二醇溶液進(jìn)行混合；將上述混合溶液升溫到125～135℃保溫2～4小時(shí)，繼續(xù)升溫到180～220℃保溫2～4小時(shí)，得到松脆的黑色物質(zhì)；將上述松脆物質(zhì)在600～1100℃煅燒，得到粒徑30～120nm、顆粒分散良好、釔元素均勻分布的納米二氧化鋯粉體。本發(fā)明所采用的原材料來(lái)源廣泛易得、制備工藝簡(jiǎn)單可控，利用檸檬酸對(duì)鋯離子與釔離子的絡(luò)合作用、乙二醇對(duì)鋯離子與釔離子的鍵合和空間位阻作用，使釔離子均勻分布在鋯基體材料中，從而最終能得到粒徑細(xì)小、釔元素分布均勻的納米二氧化鋯粉體。
文檔編號(hào)B82Y30/00GK102923770SQ201210332480
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者王煥平, 劉丹, 謝紅艷, 王建武 申請(qǐng)人:杭州培瑞科技有限公司