微波热解制备氧化锆纳米粉体的工艺及机理研究

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氧化锆是一种十分重要的结构和功能材料,具有优异的物理和化学性能,比如高熔点(2700℃)和高沸点、导热系数小、热膨胀系数大、耐高温和耐磨性好、抗蚀性能优良等。纳米陶瓷的制备由粉体制备、成型和烧结三个基本环节组成,而制备优质氧化锆陶瓷材料的关键是制备性能良好的ZrO2粉体,因此如何制备高纯、高分散的纳米ZrO2粉体成为亟待解决的问题。本文以氧氯化锆和氨水为主要原料,硝酸钇为稳定剂,分别以共沉淀溶液法和交叉喷淋液态法得到氧化锆前驱体,进行常规电阻炉煅烧和微波热解,获得纳米氧化锆粉体。分别研究了溶液反应温度、稳定剂含量、煅烧方式、输入功率等参数对纳米ZrO2粉体形貌的影响规律。并对交叉喷淋反应和微波热解氧化锆粉体的机理进行分析和研究,主要结果如下:研究表明:利用共沉淀法制备获得氧化锆前驱体,通过采用传统电阻炉煅烧,制备得到的氧化锆粉体颗粒尺寸大于60nm,且尺寸分布不均,存在严重的颗粒硬团聚现象,当煅烧温度超过600℃时,出现颗粒的异常长大现象。与传统的电阻炉煅烧制备的氧化锆粉体不同,采用共沉淀-微波热解法,在750℃保温20min(煅烧总时长60min)可制备得到高分散纳米氧化锆粉体。微波热解的氧化锆粉体颗粒尺寸小于40nm,颗粒尺寸分布均匀,粉体分散性较好,但仍存在少量的硬团聚和部分软团聚。而采用交叉喷淋-微波热解法,在750℃保温20min(煅烧总时长40min)的微波热解条件下,获得高纯单一晶型的、颗粒尺寸分布均匀,尺寸小于30nm,无团聚的氧化锆纳米粉体。本文以3Y-ZrO2为研究对象,研究了微波加热过程中,物质与微波之间的相互作用机理。结果表明:在微波的加热过程中,单斜相是微波的稳定相,四方相是不稳定相,微波能的作用限制了四方相氧化锆晶体的结晶形核,促进单斜相的结晶形核与生长,从而揭示了微波的“诱导相变效应”。同时,采用微波二次热处理不同尺寸的氧化锆纳米粉体,通过对比研究粉体颗粒尺寸在微波处理前后的变化规律,结果发现:微波提供的恒温场使得颗粒完美且快速结晶,团聚粉体在微波能作用下分散,获得颗粒尺寸分布更均匀,分散性良好的氧化锆纳米粉体。当氧化锆颗粒尺寸低于在临界尺寸时,粉体吸收微波的损耗低于表面的热量的扩散,粉体生长受到限制;当颗粒尺寸大于临界尺寸时,微波损耗增加,热效应明显,颗粒在微波能作用下迅速生长,从而揭示纳米颗粒在微波作用下的“受限生长效应”。
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