專利名稱：碳還原劑控制氧化鋅晶須生長工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料研究領(lǐng)域，主要涉及金屬、陶瓷及高分子基復(fù)合材料制備及應(yīng)用領(lǐng)域。
目前，世界上已制備出的晶須達數(shù)十種，其主要品種為SiC，Si3N4，Al2O3等。由于其制備溫度高，例如，β-SiC晶須制備溫度在1400-1500℃，2H-SiC晶須為1900℃;工藝及設(shè)備復(fù)雜;生產(chǎn)率低等因素的影響，價格昂貴，工業(yè)應(yīng)用前景渺茫。另外上述晶須材料用途有限，如SiC晶須僅能作為金屬，陶瓷結(jié)構(gòu)材料的增強體使用。日本松下產(chǎn)業(yè)公司研制成功的氧化鋅晶須，成本較低，并在多功能領(lǐng)域上具有重要的應(yīng)用前景，因而該種材料是目前晶須材料中最有市場價值的新型材料。日本松下產(chǎn)業(yè)公司制備氧化鋅晶須的工藝中，為控制ZnO晶須生長速度，對金屬鋅粉進行特種工藝處理，例如用純Zn絲弧熔噴粉，將制得的Zn粉置于離子交換水中用乳缽型擂潰機攪拌處理25分鐘，然后在20℃水中放置75小時，環(huán)境為大氣氣氛，再于130℃干燥3小時去除水分，目的是讓鋅粉表面形成密封性氧化膜，控制晶須生長速度，獲得長徑比較大的優(yōu)質(zhì)晶須材料。該工藝過程復(fù)雜，增加了大量的人力及設(shè)備投入。
本發(fā)明的目的是提供一種制造高性能四針狀氧化鋅晶須材料的簡便工藝方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是以鋅粉和焦碳粉為混合原料，鋪于容器底部，大氣中加熱到一定溫度，金屬鋅蒸汽在CO2，CO，O2混合氣氛中，即一定的氧偏壓條件下，緩慢氧化，沉積生長，從而形成長徑比大的四針狀氧化鋅晶須。
制造氧化鋅晶須使用的原料是金屬鋅粉，其熔點為692.7K(420℃)。在較高溫度下，鋅蒸發(fā)平衡分壓很高，與空氣的氧接觸極易氧化并迅速長大成為顆粒狀的氧化鋅。日本松下產(chǎn)業(yè)公司制造工藝中，利用鋅粉表面形成的密封性氧化膜控制鋅蒸發(fā)速度，減緩生長速度，但其處理工藝較為復(fù)雜。本發(fā)明采用固體碳還原劑，控制爐內(nèi)氧分壓，從而獲得了更好的生長效果。


圖1是本發(fā)明ZnO晶須生長的熱力學(xué)原理圖。
圖2是ZnO晶須成分XPS圖譜。
圖3是ZnO晶須聚合體SEM形貌圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述圖1是爐內(nèi)氣氛控制的熱力學(xué)原理圖，由圖看出，固體碳與氧結(jié)合生成二氧化碳，反應(yīng)系統(tǒng)自由能量低，反應(yīng)耗費相當(dāng)數(shù)量的氧。其次，在950℃(約1220K)溫度以上固體碳與氧結(jié)合生成一氧化碳的反應(yīng)自由能也低于鋅蒸汽或固體鋅的氧化反應(yīng)能力，故而進一步降低爐內(nèi)氣氛中的氧分壓，有利于氧化鋅晶須的生長。從圖1可看出，高于950℃，固體炭有利于弱氧化氣氛的形成，從而控制氧化鋅晶須的生長速度，獲得長徑比大的晶須。
圖2是在XSAM-800電子能譜儀(XPS)測定的晶須成分譜圖，圖中僅出現(xiàn)強的Zn(2p)峰，O(IS)峰，表明該材料為純度極高的氧化鋅晶須材料。
圖3是ZnO晶須聚合體掃描電鏡形貌圖。從圖中看出氧化鋅晶須是由中心向三維方向展開的四根針狀單晶體組成，每根針的長度為10-100μm，根部直徑0.2-2μm每兩根相鄰針間夾角近似109°。為提高晶須形貌照相清晰度，該樣品進行過真空鍍金處理，部分針上的白色塊片為金片。
根據(jù)本發(fā)明所描述的工藝方法可很方便地制造出高純和長徑比大的四針狀氧化鋅晶須。該材料被用于金屬基復(fù)合材料，增強效果顯著;制作高分子復(fù)合材料，具有強的微波吸收作用，同時具有顯著的減震阻尼作用。
實施例取100克粒度為60-120目的鋅粉，混入20克同樣粒度的焦碳粉，鋪于容器的底部，將裝有混合料的容器置于高溫箱式電爐中，大氣環(huán)境下，950-1050℃加熱10-20分鐘。容器底部及箱式電爐底部生長出針長20-100μm，根部直徑0.2-2μm的氧化鋅晶須。晶須產(chǎn)額約100克，外觀呈白色松散粉狀堆積體，比重約0.04-0.1g/cm3，壓按時體積收縮，有彈性感。除容器底部有少許黃色粉狀物外，顯微觀察表明晶須生長情況良好，無細(xì)份顆粒出現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種碳還原劑控制氧化鋅晶須生長工藝方法，其特征在于將金屬鋅粉與焦碳粉混合裝入容器中，在大氣氣氛中，加熱制成氧化鋅晶須。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳還原劑控制氧化鋅晶須生長方法，其特征在于將金屬鋅錠熔融，以大氣為載體，噴入水中，制成60-120目粒度鋅粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳還原劑控制氧化鋅晶須生長方法，其特征在于將焦碳研磨成細(xì)粉，其粒度為60-120目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳還原劑控制氧化鋅晶須生長方法，其特征在于將鋅粉焦碳粉按5∶1配料，混合均勻，鋪于容器底部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳還原劑控制氧化鋅晶須生長方法，其特征在于將裝有混合粉料的容器，在大氣條件下加熱溫度950-1050℃，10-20分鐘，燒制成氧化鋅晶須。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于金屬，陶瓷及高分子基復(fù)合材料的氧化鋅晶須生長工藝方法，其主要特征是采用金屬鋅粉末為原料，焦炭粉為固體還原劑，在950—1050℃大氣條件下控制鋅蒸氣的氧化反應(yīng)速度，10—15分鐘可制備出氧化鋅晶須，晶須由四根交角約109°的針狀單晶組成，每根針長10—100μm，針的根部直徑0.2—2μm。本發(fā)明所提供的氧化鋅晶須可用于金屬，陶瓷增強，高分子復(fù)合材料導(dǎo)電，吸聲，減震，微波吸收及提高耐磨性等領(lǐng)域。
文檔編號C30B29/16GK1101952SQ9411182
公開日1995年4月26日 申請日期1994年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月5日
發(fā)明者李樹塵 申請人:西南交通大學(xué)