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1、-范文最新推荐-1 / 19共沉淀法合成纳米氧化锆制备研究摘要：利用各种在水中溶解的 Zr(NO3)4 等锆盐与沉淀剂氨水等碱性物质反应，生成不溶解的氢氧化物，然后经过滤、洗涤、干燥、煅烧和热分解等后处理过程，得到目的产物纳米 ZrO2。共沉淀法工艺流程比较简单、易于添加其它微量元素，但是因为反应物在反应器中的浓度、温度、及停留时间分布不同，从而影响了物料间的反应及晶体的成核和生长，进而影响最终产物纳米 ZrO2 的粒径大小和颗粒分布。同时，共沉淀法也易引入杂质，在干燥、脱水的过程中有比较严重的结块现象。关键词：纳米氧化锆；沉淀；灼烧；合成；干燥Coprecipitation Synthesi
2、s of Nano zirconiaCoprecipitation Synthesis of Nano zirconiaAbstract：Dissolved in water using a variety of Zr (NO3) 4 and zirconium salts such as ammonia and other alkaline substances precipitant reaction insoluble hydroxides, carbonates, acetates, etc., is then filtered, washed, drying, calcining,
3、and after thermal decomposition process, to obtain the desired product nanometer ZrO2. Coprecipitation process is relatively simple, easy to add other trace elements, but because the reactants in the reactor concentration, temperature, and residence time distribution are different, thus affecting th
4、e reaction between the material and the crystal nucleation and growth, thereby affecting the final product of ZrO2 nano particle size and particle size distribution. Meanwhile, the coprecipitation method is also easy to introduce impurities in a dry process of dehydration more serious agglomeration.
5、Key words：Nano zirconia; precipitation; burning; synthesis; drying目录-范文最新推荐-3 / 191 绪论 11.1 纳米氧化锆的用途及制备意义 11.2 纳米氧化锆的性质 11.2.1 增韧特性 11.2.2 其他性质 21.3 纳米氧化锆的制备 2 高纯二氧化锆为白色粉末, 含有杂质时略带黄色或灰色。熔点高达 2680导热系数、热膨胀系数、摩擦系数低, 化学稳定性高, 抗蚀性能优良, 尤其具有抗化侵蚀和微生物侵蚀的能力。大量用于制造耐火材料、研磨材料、陶瓷颜料和锆酸盐等。从结构上看, 氧化锆由于其具有酸性和碱性表面中心, 因
6、而是一种理想的酸基双功能催化材料, 在催化领域起重要作用。氧化锆还具有独特的相变增韧性, 这使氧化锆陶瓷不仅强度高, 断裂韧性也很大。同时, 氧化锆具有高温氧离子导电性, 这一点在氧传感器中得以应用。纳米陶瓷材料具有超塑性以及磁、光、电和热等特殊性能，使其成为材料科学领域的研究热点纳米氧化锆是一种重要的陶瓷材料，它具有耐热、耐腐蚀和耐氧化还原等稳定的特点，己成为一种优良的无机非金属材料。随着其晶型稳定方法的发现，使纳米氧化锆在陶瓷及粉体催化剂等方面应用的研究较为广泛。1.2 纳米氧化锆的性质1.2.1 增韧特性一般说来, 金属氧化物的许多物理化学性质, 特别是催化性能很大程度上取决于其表面晶相
7、结构。通常情况下, ZrO2 有四种存在形式: 无定形( amorphous, A )、常温下稳定的单斜晶相( monoclinic, M ) 、常温下介稳的四方晶相(tetragonal T) 及高温时稳定的立方晶相( cubic, C)2。-范文最新推荐-5 / 19单斜氧化锆加热到 1170时转变为四方氧化锆, 这个转变速度很快并伴随 7% 9%的体积收缩。但在冷却过程中, 四方氧化锆往往不在 1170转变为单斜氧化锆而在 1000左右转变, 是一种滞后的转变, 同时伴随着体胀。氧化锆增韧是通过四方相转变为单斜相来实现的。这种相变属于马氏体相变。氧化锆的增韧机制有多种, 可分为应力诱发相
8、变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面强化韧化等3 。 1.3.2 水解沉淀法利用金属的明矾盐溶液、硫酸盐溶液、氯化物溶液、硝酸盐溶液等在高温下经过较长时间的水解可以形成氧化物超微粉。例如, 加热 ZrClO2 溶液使其沸腾, 水解生成的 HCl 不断蒸发除去, 使水解反应平衡不断向生成产物的方向移动, 经过几天时间可以合成单分散态 ZrO2 超微粉。其反应式如下:ZrOCl2 + ( 3 + n) H 2O= Zr ( OH )4•nH 2O + 2HCl此法操作简单, 但能耗较大, 反应缓慢且不经济。1.3.3 金属醇盐法金属醇盐法通过将水加入金属醇盐中制备纳米粉体的方法, 金属醇盐的
9、通式为 M (OR) x , R 是烷基或者丙烯基, M 是金属元素。金属醇盐遇水后很容易分解成醇和氧化物或其水合物等沉淀, 这些沉淀经过滤、干燥及焙烧等过程可制得纳米粒子。刘丽等8以硝酸锆 Zr ( NO3 ) 4 •5H 2O 为原料, 加无水乙醇配置0.1mol/L 的醇溶液, 得到了非晶 ZrO2。金属醇盐水解沉淀法最大的优点是反应速度快，而且可以从所得物质的混合液中直接分离制备高纯度纳米粒子, 所得粒子几乎均是一次粒子, 且粒子的大小和形状均一。因此, 该法制得的纳米 ZrO2 适用于高性能、高强、高韧的电子材料和结构材料。其缺点是需要用大量昂-范文最新推荐-7 / 19贵
10、的有机金属化合物, 而且作为溶剂的有机物常是一些有毒的物质。所以此法耗资大, 且容易造成污染问题。1.3.4 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是从金属化合物的溶液出发, 在较低温度下发生水解等反应, 得到金属氧化物或氢氧化物的均匀的溶胶,再浓缩成透明的凝胶, 凝胶经干燥及热处理后得到粒径在几至几百纳米范围内的氧化物超微粉。制备纳米 ZrO2 时, 首先在 Zr(OH) 4 水溶液中加入稳定剂, 如 MgO、Y2O3 或 CaO 等化合物,然后加入硝酸, 调节 pH 值至 5.5 6.0,待溶胶凝聚后,于 70左右脱水,然后加热到 400 700 , 就可得到纳米 ZrO2粒子。孟秀霞等9用溶胶-凝胶涂
11、附电纺纳米纤维制备了 ZrO2 纳米管。溶胶- 凝胶法工艺简单且反应温度低, 所得产品化学组分均匀, 适合制备高纯氧化物及多组分复合氧化物纳米粒子。 1.3.8 其他方法除上述方法之外, 还有微波诱导法、超声波法、反胶团法、溶剂蒸发法、均相沉淀- 发泡法、电化学合成法、共沸蒸馏法、流变相反应法、液相转化法等13-18。1.4 纳米氧化锆的应用1.4.1 增韧陶瓷陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀和重量轻等一系列优良的性能, 但陶瓷材料脆性大, 对内部缺陷敏感, 裂纹一经产生往往就迅速扩展, 使材料呈现无预兆的灾难性突然断裂。因此,陶瓷部件与金属部件相比可靠性较差, 这已成为影响陶瓷材料推广应用
12、的瓶颈。陶瓷增韧一直是摆在材料科研工作者面前的一道难题。而纳米 ZrO2 具有超塑性行为, 给陶瓷增韧带来了希望。利用 ZrO2 的相变增韧、残余应力增韧及微裂纹增韧效应,ZrO2 被广泛用于增韧其他陶瓷和脆性金属间化合物19。国内外对氧化锆相变增韧氧化铝陶瓷做了较深入的研究。张巨先等20通过微波-范文最新推荐-9 / 19加热 ZrOCl2 •8H2O 的醣水溶液, 用 HPC 作分散剂,制备出无团聚、单分散的纳米水合 ZrO2, 结果发现 ZrO2 均匀地弥散分布在 ZTA 陶瓷中, 分析认为 ZrO2 主要以 t 相形式稳定存在 , 其相变增韧作用很小, 裂纹偏转和裂纹增韧作用
13、增强。徐利华等21对 ZrO2 增韧 A l2O3-TiC 系陶瓷复合材料的力学性能及其耐磨性能进行了研究。郭兴忠等22采用溶胶- 凝胶法合成了锆溶胶, 并在刚玉- 莫来石质材料中引入 ZrO2, 分析了 ZrO2 溶胶对刚玉 - 莫来石复陶瓷性能的影响特征。研究结果表明,ZrO2 在主体材料中形成纳米包裹薄膜, 其分布可控和均匀掺入不仅提高了复相陶瓷的抗热震性、高温强度及蠕变性, 而且还使微观结构可控、晶粒尺寸均匀。加入 ZrO2 溶胶产生氧化锆粒子的应力诱导相变增韧和微裂纹增韧是刚玉-莫来石质材料热震稳定性提高的主要原因。1.4.2 催化领域 1.4.4 氧化锆新用途 :锂电池专用纳米氧化
14、锆电池专用纳米氧化锆粉体，具有纳米颗粒尺寸细、粒度分布均匀、无硬团聚和很好的球形度。生产中做到了精确控制各组分含量，实现不同组分之间粒子的均匀混合，严格控制颗粒尺寸、形态和结构，保证了产品的质量。利用本品掺杂不同元素的导电特性，在高性能固体电池中用于电极制造。纳米氧化锆电池由固态氧化锆电解质（绝大部分为钇稳定氧化锆粉体，简称 YSZ）和两个铂电极所组成。钇稳定纳米氧化锆粉体因具有较高的氧离子电导率和氧化还原气氛中理想的稳定性，作为一种理想的电解质，在固体氧化物燃料电池领域得到了广泛应用。具有良好的市场应用前景及商业价值。应用特性：电池专用纳米氧化锆（YSZ）被广泛用于制作固体氧化物燃料电池（SOFC）, 氧传感器及微电子设备。 电池专用化纳米氧化锆在高温条件下具有较高的氧离子电导率,优良的机械性能以及氧化还原良好的稳定性。 电池专用纳米氧化锆覆盖或弥散于合金表面后还可产生活性元素效应,显著改善合金的高温氧化性能并大幅度提高氧化
