《氧化铝-氧化锆复合陶瓷粉体的水热法制备及高温灼烧处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氧化铝-氧化锆复合陶瓷粉体的水热法制备及高温灼烧处理（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第26卷第6期硅酸盐学报Vol. 26 ,No. 61 9 9 8年1 2月JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYDecember , 1998氧化铝-氧化锆复合陶瓷粉体的水热法制备及 高温灼烧处理田明原施尔畏 王步国 李汶军 仲维卓 郭景坤(吉林大学无机合成与制备化学开放实验室)(中国科学院上海硅酸盐研究所)摘 要 采用水热法制得了氧化铝摩尔分数为5 %82 %的- AlOOH - ZrO2复合陶瓷粉体,系统研究了前驱物中氧化铝含量、 水热反应条件以及矿化剂的引入对产物物相、 生长形态及粒度的影响;研究了粉体在不同温度下灼烧处理过程中发生的相转变及形态
2、、 粒度变化,证实了在此过程中可形成氧化铝-氧化锆固溶体.关键词 氧化铝,氧化锆,复合粉体,水热法,灼烧处理中图法分类号 PB 321近年来,人们发现纳米复相陶瓷材料表现出较单相陶瓷材料有更好的耐高温、 抗腐蚀、 高硬度和高韧性等特性.如在氧化锆-氧化铝系统中,通过向3Y- TZP内添加40 %(质量分数)的Al2O3,经1 450 的HIP处理,制得了强度高达3 000 MPa的复合陶瓷材料1,有望作为一种高韧性、 高强度的结构陶瓷材料得到实用化,已成为高性能陶瓷材料研究的一个热点.优质复合粉体是复相陶瓷材料制备的基础.目前,物理混合法仍是制备复相陶瓷粉体的主要方法,所谓物理混合法是将两种及
3、其以上具有一定粒度的单相陶瓷粉体在液相介质中进行机械混合.但是,这种方法难以制得理想分散状态的复相粉体,这给材料的成型与烧成造成了相当的困难,影响了材料力学性能的提高.为了改进复相陶瓷粉体的化学均相特性,人们尝试采用气相混合物或含不同种类的阳离子的液相混合物作为前驱物制备复相粉体2 ,3,如采用CVD法4、 溶胶-凝胶法5和液相共沉淀法6制备了Al2O3- ZrO2复相粉体.水热法作为一种制备优质纳米陶瓷粉体的技术,近年来得到了较多的研究和较大的发展7.采用一定形式的化合物作为前驱物,经过水热反应可直接制得无团聚或少团聚、 结晶完好、 晶面显露完整的晶粒.已有一些水热法制备纳米复相陶瓷粉体的文
4、献报道. Hirano8等人采用水热晶化法,在180温度下制备了含CeO2为12 %18 %(摩尔分数,全文同此)的CeO2- ZrO2复相粉体,并进行了相应的表征和烧结研究.本工作研究了水热法氧化铝-氧化锆复相陶瓷粉体的制备及粉体高温灼烧后处理实验结1997年8月6日收到.国家自然科学基金重点项目.项目编号:59832080.通讯联系人:施尔畏,男,43岁,博士,研究员,所长(第一作者:田明原,男,34岁,博士) ,中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights res
5、erved.01520253035404550556065702/ ()B Boehmite ;Z ZirconiaBBBBBBB BBBB BBBZZZZZZZZZZZ(d)82 % Al2O3Z(c)50 % Al2O3(b)20 % Al2O3(a)5 % Al2O3果;水热反应条件(水热反应的温度、 反应时间)、 矿化剂种类与产物物相、 晶粒生长形态及粒度之间的关系;研究了产物在灼烧处理过程中物相、 晶粒形态及粒度的变化规律,以此作为优化水热制备条件的实验基础.1 实 验将一定浓度的Al(NO3)3和ZrOCl2水溶液按不同摩尔分数配比均匀混合,再加入适量的碱溶液,即可得到Al (OH
6、)3- Zr (OH)4白色混合胶体.胶体经反复洗涤即可用作水热反应前驱物.水热 制 备 反 应 在 反 应 腔 体 尺 寸 为30 mm430 mm的管式高压釜内进行.选用不同浓度的KBr , KOH ,NaOH ,HAc作为矿化剂,水热反应温度范围为200430,反应时间为872 h不等(此处指恒温时间) .水热反应完成后,对产物进行固-液分离并反复洗涤,然后在110 下进行干燥,对粉体进行了不同温度(6001 400) ,2 h的高温灼烧处理.对前驱物、 水热反应及高温灼烧处理产物进行了多形式的表征,包括X射线衍射(XRD ,日本 理 学, RAX - 10)、 红 外 光 谱(美 国,
7、Nicolet - 7 199 C)、 透射电子显微镜( TEM ,日本电子,J EM - 2 010)及能谱分析(EDS ,英国LIN K公司,OXFORD ISIS)、 电子探针(日本岛津,EPMA - 8 705 QH2)、 差热及热重分析图1 不同配比的前驱物制得的AlOOH - ZrO2复合粉体的XRD谱Fig. 1 XRD patterns ofthehydrothermalAlOOH - ZrO2composite powders syn2thesized by the precursors with differ2ent Al2O3molar fraction at 200fo
8、r24 h(DTA - TG,Netzsch - STA429)、X射线荧光组成分析(XRF ,荷兰PHILIPS ,PW 1 404)等.2 结果与讨论2. 1 不同配比的前驱物制得的粉体特性XRF检测发现水热反应产物中铝、 锆的摩尔分数与所用前驱物铝、 锆摩尔分数基本相同,477 硅 酸 盐 学 报 1998年 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.本工作中前驱物及水热反应产物组成均以Al2O3的摩尔分数表示.图1是采用不同摩尔分数的Al2O3水热反应产物的XRD谱.当前驱物Al2O3摩
9、尔分数高于10 %时,产物XRD谱都出现了一水软铝石(- AlOOH)的衍射峰(图1b ,1c ,1d) .这表明产物中铝化合物主要是- AlOOH而不是- Al2O3.仅当选用特定的有机溶剂作为反应介质并在制备工艺过程严格控制水的引入时,方可直接制得- Al2O3- ZrO2复合粉体.当前驱物Al2O3摩尔分数为5 %时,XRD已不能检测到产物中铝化合物的存在(见图1 a) .产物中ZrO2物相随前驱物中Al2O3摩尔分数的变化而改变,当前驱物中Al2O3摩尔分数相对较低时,生成的ZrO2晶粒主要为立方/四方相(因立方相、 四方相ZrO2晶粒衍射峰基本重叠,XRD检测难以区分,故均以立方/四
10、方(c/ t) ZrO2表示;当前驱物中Al2O3摩尔分数相对较高时(如82 %) ,生成的ZrO2晶粒则主要为单斜相(见图1 d) .Par t i cl es i ze/ nm0102030405060708090Al2O3molar fraction of used precursors/ %ZirconiaBoehmite40035030025020015010050图2是 水 热 反 应 产 物 中ZrO2与- AlOOH晶粒粒度与所用前驱物Al2O3摩尔分数的关系曲线.从图可看到:ZrO2晶粒粒度基本上与前驱物中Al2O3摩尔分数无关,均小于20 nm.当前驱物Al2O3摩尔分数小
11、于30 %时,产物中- AlOOH晶粒粒度与ZrO2晶粒相当,仅为数十纳米.此时即制得了粒度均一的纳米级- AlOOH - ZrO2复合粉体.图2 产物粒度与前驱物中Al2O3摩尔分数的关系Fig. 2 Relationship between the particle size and theAl2O3molar fraction of the used precursorsHydrothermal reaction temperature: 200;Time:24 h反之,- AlOOH晶粒粒度随前驱物中Al2O3摩尔分数的增加而急剧增大.例如,当前驱物Al2O3摩尔分数为82 %时,生成
12、的- AlOOH晶粒粒度达到400 nm左右,这一数值与水热法制得的纯 - AlOOH晶粒粒度基本相同9.图3给出了部分水热反应产物的TEM照片.当前驱物中Al2O3摩尔分数高于10 %时.所得产物中无论- AlOOH还是ZrO2晶粒均具有高对称性(近于球状)生长形态(见图3a) ;当前驱物Al2O3摩尔分数为82 %时,产物中- AlOOH晶粒呈双锥薄片状(见图3b) ,而ZrO2晶粒仍具有高对称性生长形态(见图3c) .2. 2 水热反应条件对产物物相、 晶粒粒度的影响表1给出了采用Al2O3摩尔分数为20 %的前驱物经不同温度下水热反应所得产物物相和晶粒粒度检测结果.水热温度200 及其
13、以下所得粉体主要由- AlOOH和c(t) - ZrO2晶粒组成.随着水热温度升高,产物中出现了m - ZrO2晶粒.当水热温度达到430 时,产物则完全由- AlOOH和m - ZrO2晶粒组成.同时,随着水热温度的升高,无论- AlOOH还是m - ZrO2晶粒的粒度都有所增大.实验表明,恒定反应温度、 延长水热反应时间对产物物相及粒度具有类似的影响10.2. 3 矿化剂的选用对产物物相、 晶粒粒度的影响 表2给出了选用不同矿化剂,经相同条件水热反应所得粉体的物相和晶粒粒度检测结果,577 第26卷第6期 田明原等:氧化铝-氧化锆复合陶瓷粉体的水热法制备及高温灼烧处理 1995-2004
14、Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图3 采用不同摩尔分数Al2O3前驱物经200,24 h水热反应制得的AlOOH - ZrO2粉体TEM照片Fig. 3 TEM photographs of the hydrothermal AlOOH - ZrO2composite powders在弱酸性或强碱性反应介质中生成的产物中均含有m - ZrO2晶粒,且晶粒粒度较在纯水中生成的有所增大;而在中性反应介质中(如水或一定浓度的KBr水溶液)生成的主要是 - AlOOH和c(t) - ZrO2晶粒.这与水热法制备纯
15、ZrO2粉体的实验结果11是一致的.表1 采用Al2O3摩尔分数为20 %前驱物在不同温度下经24 h水热反应所得产物物相与粒度Table 1 Phase and particle size of the hydrothermal AlOOH- ZrO2composite powdersReactiontemperature/200300350430Phase of the products- AlOOHc(t) - ZrO2- AlOOHc(t) - ZrO2m - ZrO2- AlOOHc(t) - ZrO2m - ZrO2- AlOOHm - ZrO2Particle size/ nmA
16、bout 10About 20About 20About 30Reaction time:24 h;Al2O3molar fraction of the used precursor : 20 %.表2 采用Al2O3摩尔分数为10 %前驱物在不同水热介质中经350, 8 h水热反应所得产物物相与粒度Table 2 Phase and particle size of the hydrothermal AlOOH- ZrO2compositepowders synthesized in different reaction mediumMineralizerH2OHAc(1 mol/ L)KBr(1 mol/ L)NaOH(0. 5 mol/ L)KOH(1 m
