基于反相微乳液法的取代型六铝酸镧粉体制备及性能研究

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随着航空航天、能源等方面技术的发展,以六铝酸镁镧(LaMgAl11O19,LMA)和六铝酸锌镧(LaZnAl11O19,LZA)为代表的取代型六铝酸镧凭借自身特殊的层状晶体结构,表现出比表面积高、高温稳定、耐湿氧腐蚀等优异性能,在热障涂层与高温催化领域极具应用潜力,有望成为继YSZ后新一代高温功能材料。相比于传统的氧化物粉体合成方法,反相微乳液法具有物相纯净、比表面积高、粒径分布均匀、形状尺寸可控等优势,课题拟采用反相微乳液法合成LMA和LZA两种取代型六铝酸盐粉体,研究合成工艺参数对粉体组成、结构的影响,系统表征LMA、LZA粉体的本征与使用性能,为新一代高温功能材料的发展提供技术和数据支持。论文主要内容如下:首先构建了反相微乳体系,以TritionX-100作为表面活性剂,正己醇/正辛醇为助表面活性剂,正庚烷/环己烷为油相制备反相微乳体系。通过绘制拟三元相图的方法来研究试剂种类及组分比例、温度、水相离子浓度对于反相微乳体系性质的影响。研究发现,当以TritionX-100作为表面活性剂,正己醇作为助表面活性剂,正庚烷作为油相,且控制M(S):M(AS):M(O)=1:1:2,体系温度为30℃时,反相微乳体系最大溶水量为30%,且微乳体系稳定存在区域范围较宽。系统研究了反相微乳液法制备LMA的过程中各因素对产物的影响,包括体系pH值、体系含水量、水相离子浓度、沉淀剂种类及浓度、回收方式等因素。控制体系温度为30℃,微乳A液中金属硝酸盐溶液浓度为4.7mol/L,微乳B液中氨水浓度为3mol/L,体系含水量为30%,体系pH值为10时,所得LMA前驱体在400℃前完成无机化,在1148℃左右结晶生成,经1200℃焙烧得到的LMA粉体物相纯净、结晶度高、比表面积大(55.08m2/g)。利用反相微乳液法合成的LMA粉体烧结得到LMA陶瓷(相对密度为98.04%),研究了LMA陶瓷材料的热物理、耐热及抗高温水氧腐蚀等性能。LMA材料的热导率为2.14W·m-1·K-1(1473K),平均热膨胀系数为19.56×10-6·K-1(25℃~1400℃);LMA具有较好的抗潮解性能,在1600℃下具有良好的静态热稳定性。LMA材料在1300℃的水汽环境中易发生湿氧腐蚀,材料表面严重烧结,发生明显失重(失重速率为3.1×10-2mg/(dm2·min))。研究了反相微乳液法制备LZA过程中各因素对产物性能的影响,如体系pH值、微乳体系含水量、水相离子浓度等。在控制体系温度为30℃,微乳A液中金属硝酸盐溶液浓度为4.7mol/L,微乳B液中氨水浓度为3mol/L,体系含水量为30%,体系pH=8的情况下,所得LZA前驱体在400℃完成无机化,1120℃结晶生成LZA,经1200℃焙烧得到物相纯净的LZA粉体,比表面积为55.08m2/g。将反相微乳液法所制得的LZA粉体进行烧结得到LZA陶瓷(相对密度为97.62%),研究了LZA材料的热物理性能、耐热及抗高温水氧腐蚀性能。LZA材料的热导率为3.70W·m-1·K-1(1473K),平均热膨胀系数为32.63×10-6·K-1(25℃~1400℃);LZA具有优异的抗潮解性能,在1600℃下表现出良好的静态热稳定性。LZA材料的抗高温水氧腐蚀性能明显优于LMA材料,在1300℃的水汽环境中未发生明显烧结,未出现明显失重(失重速率仅为1.263×10-4mg/(dm2·min))。
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