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1、特种陶瓷工艺学实验教案沈阳理工大学材料学院 无机非金属材料专业 任课教师 : 魏莉1实验一 氧化镁部分稳定的氧化锆微细粉末的制备实验目的使用氧氯化锆 （ZrOCl2）8H2O） 、氧化镁为原料，用共沉淀法制备氧化镁部分稳 定的氧化锆固体电解质超细粉末。实验原理纯氧化锆的烧结体晶型是不稳定的，在升温过程中， 1140?会发生单斜相 ?四方 相的转变，同时产生 7%的体积收缩 ; 在 1140?时发生四方相立方相的转变 ; 降温时又 会发生反方向的相变。如果在氧化锆中掺入足够的氧化钇、氧化钙或氧化镁，可以 使氧化锆在室温时也能保持稳定的立方结构，晶型不再随温度变化 ; 称为全稳定的 氧化锆（FSZ
2、）。同时，由于掺入的低价金属离子（Ca2+、Mg2+ 丫3+）进入氧化锆晶格 后产生了大量的氧离子空位，所以，氧化锆在高温 （550?） 时，允许氧离子通过氧 离子空位迁移，形成氧离子导体。如果原料很纯净 （ 特别是没有变价的金属离子杂 质） ，可以得到电子导电很低的氧离子导体，用于制作高温传感器（气体中氧传感器 ） 。为了制作测定钢液中氧含量的传感器，要求氧化锆固体电解质管状元件（?5mmK ImrhC 35）具有很好的抗热冲击能力，在突然插入1700?钢液的情况下，不允许产生裂纹。这时需要采用部分稳定的氧化锆材料。减少氧化锆中稳定剂的含量，可以得到部分稳定的氧化锆（PSZ）。常温下，部分稳
3、定的氧化锆烧结体中，三种晶型 （单斜、四方和立方 ）混合存在，使升温过程中 元件的热膨胀可以被单斜相到四方相转变时的体积收缩所抵消 （如果单斜相的比例 合适时 ）; 为了控制三相比例，除了严格控制烧结、热处理制度外，还必须准确地控 制氧化锆中稳定剂（MgO）的含量;另外，要求粉末粒度很细小；并且不允许带入杂 质，因此，采用共沉淀法制备氧化镁部分稳定的氧化锆（MgO-PSZ超细氧氯化锆（ZrOCI2）8H2O）不溶于酸和碱，所以可以用酸来提纯（除去铁离子等杂质）。提纯 后，将氧氯化锆溶于水，过滤，除去灰尘、氧化硅等杂质 ； 按需要的成分配入氧化 镁，形成锆、镁的混合盐溶液。加入过量的氨水，形成氢
4、2氧化锆和氢氧化镁均匀混合的细小颗粒沉淀物。ZrCI+NHOH?Zr（OH）?+NHCI 4444ZrCI+NHOH?Zr（OH）?+NHCI 4444因为氢氧化镁比较容易溶于水，因此必须保持较高的碱性 （pH10），不使氢氧 化镁流失。过滤后，用pH10的氨水淋洗沉淀物，除去多余的氯化铵;沉淀物中加 入分散剂 （ 高分子溶剂如正丁醇、聚乙二醇等 ） ，避免在热分解时粉体结团。沉淀物烘干后，在加热分解过程中，低温时首先脱水，然后将剩余的氯化铵分 解，最后是锆、镁氧化物的生成 :NHCI?NH?+HCI43?Zr（OH）?ZrO+2HO? 422Mg（OH）?MgO+HO? 22氧化镁部分稳定的
5、氧化锆超细粉体的制备过程 :称取原料 加水溶解 过滤固体杂质 加入稳定剂氧化加入氨水共沉沉淀物水洗 (pH ，镁 淀 10)干燥 热分解 加入分散剂? ? ?实验步骤 取500克氢氧化锆，置于1000mL的容器中，加入360mL蒸馏水，搅拌，使 之溶清。3(2) 抽滤，除去固体杂质 洗净布氏漏斗和抽滤用有锥形瓶，垫好湿滤纸，缓慢倒入溶清的氯氧化锆溶 液。抽滤后，用少许蒸馏水(约20mL)淋洗布氏漏斗。?为了得到含氧化镁质量比为 2.2%的氧化锆，需计算加入氧化镁的质量。按 500g氯氧化锆中含有的氧化锆的重量 (按分子量计算，也可以用实验的方法测定单位体 积溶液中氧化锆含量，按溶液的浓度和体积
6、来计算 )。(3) 加入氧化镁，搅拌，溶清(4) 共沉淀?缓慢加入300mL氨水，同时不停地搅拌，使沉淀不结团，可补加到 400mL氨 水，直到沉淀完全，并将被沉淀包裹的水放出，可将搅拌澄清的清液取出少量，在 清液中加入氨水后，不再产生沉淀，表明沉淀完全。?在布氏漏斗中再垫滤布和滤纸，将沉淀物倒入布氏漏斗内，抽滤; 滤干后，用氨水溶液 (1:15) 淋洗三次，每次 50mL。?为进一步除去氯化铵，将滤饼倒入 2000mL容器中，加入300mL氨水溶液浸 泡，搅拌澄清后，倒掉清液，再次抽滤除水。(5) 化学分析，测定沉淀物中镁的含量。计算相应的氧化锆中氧化镁的含量(6) 干燥 :?在滤饼中加入分
7、散剂，搅拌均匀 ;?蒸馏，干燥沉淀物、回收分散剂。(7) 热分解将干燥的沉淀物盛在氧化铝坩埚中，放在马弗炉内 ;升温至 480?，保温一小 时，将剩余的氯化铵分解、排除。再升温至 600?，保温一小时，使氢氧化物分解 完全 ; 实验报告要求 :(1) 实验目的、实验原理、实验操作步骤 ;(2) 加入氧化镁量的计算过程 ; 氧化镁、氧化锆产率 ;(3) 实验时观察到的现象，本人的体会及对实验改进的意见4实验二 凝胶注模成 Sialon-SiC 复相材料烧结性能的研究实验要求(1) SiC-Sialon 砖达到的性能指标要求 : 体积密度 2.7g/cm3; 气孔率 14%;抗压强 度 210MP
8、a抗折强度(室温)(/1400?) ，53/50MPa;膨胀系数(201000?),5X 106(1000?);导热系数 19.4(800?) , SiC70%;Si3N420%(Sialon);Fe2O3 0.31%.(2) 采用凝胶注模成型实验器材PHS-2C酸度计；? VYD90-1真空烘箱；? 2X-8旋片式真空泵；?DLH-2双行星真空混料机；?PKZ-400X 400坯料抗折仪；?SX2-12-16箱式电阻炉；?LS900激光粒度仪。(1) 建议工艺流程5分散剂、水、有机单体的预混凝 球磨 料浆+陶瓷粉料注模凝真空脱气加入引发剂、催化剂固脱模干燥烧成(2) 实验原料：?建议采用的原
9、料为纯Si粉，Al粉，SiO2粉，AI2O3粉以及不同粒度的碳化 硅。原料平均粒径及配比如下表所示WJ二 Mnr.*T -I- XMb：TiEIM-试剂采用丙烯酰胺和N-N亚甲基双丙烯酰胺C2H3CONH)2CH2(MBA作有机单体;?采用过硫酸铵(NH4)?S2O8作引发剂；?采用N、N-四甲基乙二胺(TEMED作催化剂；?采用有机碱四甲基氢氧化胺(CH3)4NOH TMAH作分散剂；?采用聚乙烯醇溶液作为悬浮剂。(4) 浓悬浮体的制备选定Al、Si、SiO2、和SiC1、SiC2或SiC1和SiC2的混合粉体浓悬浮体的制 备条件为 : 用四甲基氢氧化铵作为分散剂，并严格控制其加入量，使浓悬
10、浮体的PH值控制在 89之间，球磨时间在 1 0 1 5分之间，并随试验时温度的不同可适当调节 其球磨时间，制得的浓悬浮体用于凝胶注模成型。(5) 凝胶注模成型6向已经制备好的浓悬浮体中加入 SiC3、 SiC4 或只加入 SiC3 颗粒料，均匀搅拌，加入过硫酸铵作引发剂和四甲基乙二胺 (TEMED作催化剂，抽真空510min除 泡。悬浮体除泡之后，注入10mM 10mrK 60mm金属模具中，或注入圆形的塑料盒 中，在75?下固化30min后脱模，然后干燥(干燥时间随制品尺寸而定)，烘干后进 行烧结。(6) 烧结: 烧结温度在 1550?以上，在氮气气氛下烧结。(7) 测试: 测试烧结后试样的体积密度、气孔率、抗折强度、膨胀系数、SiC%、Si3N4%、 Fe2O3%。实验总结(1) 简述实验过程 ;(2) 绘制开口气孔率、体积密度和耐压强度随 Sialon 含量变化图。(3) 分析变化规律，找出颗粒组成、不同烧结温度、添加剂的数量对材料烧结 性能的影响规律。(4) 确定出适合实验要求的坯料配方和工艺参数。
