[發明專利]一種單斜相氧化鋯納米晶粉體的制備方法

無效

• 申請號: 201210126336.3
• 申請日: 2012-04-26
• 公開（公告）號: CN102627323A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發明（設計）人: 劉祿;陳玉金;張建中;張新陸
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: C01G25/02
• 分類號: C01G25/02;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種無機納米材料的制備方法。具體地說是一種納米單斜晶相氧化鋯材料的制備方法。

背景技術

世界上已探明的鋯資源約為1900萬噸，超過了工業上普遍使用的銅、鋅、鉛等物質的含量。其中得到廣泛應用的是二氧化鋯(ZrO₂)，氧化鋯粉體具有優異的耐熱、耐腐蝕和可塑性，除大量應用于耐火材料外，還廣泛用于制造壓電元件、陶瓷電容器、氣敏元件、固體電解質電池、陶瓷內燃機引擎和二氧化鋯纖維及鋯催化劑等。而基于氧化鋯粉體進一步加工而成的氧化鋯陶瓷具有高韌性、高抗彎強度、高耐磨性、優異的隔熱性能、熱膨脹系數接近于鋼等優點，因此被廣泛應用于結構陶瓷領域。上述優點使得氧化鋯成為2l世紀最有發展前途的功能材料之一。

純ZrO₂為白色，在常壓下共有三種晶態：單斜(Monoclinic)氧化鋯、四方(Tetragonal)氧化鋯和立方(Cubic)氧化鋯，上述三種晶型存在于不同的溫度范圍，其中單斜相氧化鋯存在于1170℃下；在溫度范圍1170到2370℃之間，氧化鋯為四方相；當溫度高于2370℃時，氧化鋯轉變為立方相。

另一方面，由于納米材料具有獨特的表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應，引起人們的廣泛關注。氧化鋯納米晶結合了氧化鋯材料和納米材料的優勢，近年來成為了力學、電學、磁學、光學等領域的研究熱點。其中單斜相的納米氧化鋯具有抗熱震性強、耐高溫、化學穩定性好、材料復合性突出等特點。將單斜納米氧化鋯與其他材料(三氧化二鋁或二氧化硅等)復合，可以極大地提高材料的性能參數，提高其斷裂韌性、抗彎強度等。所以單斜納米氧化鋯粉體在電子、高溫結構和功能陶瓷，尤其是在表面涂層等高科技領域有重要應用價值。

合成氧化鋯納米晶的常用實驗方法有高溫燃燒法、水熱法、溶膠凝膠法等，其中溶膠凝膠法由于具有實驗過程簡單、成本低廉、成品性質均勻等優點引起人們的廣泛關注。當氧化鋯粉體的尺度降低為納米量級時，前面所述溫度依賴的晶相性質將發生根本性的改變：納米尺度的二氧化鋯在較低的燒結溫度下通常為四方相，而在較高的燒結溫度下則會轉變為單斜相，根據Patra等人于2003年在Applied?Physics?Letter雜志上發表的報道，利用溶膠凝膠方法，這種轉變溫度約為1000攝氏度。這也就意味著要獲得晶相較純的單斜相氧化鋯納米晶材料，必須在較高的溫度下進行燒結。這就使得材料制備的難度和成本都比較高，不利于其實際應用。因此，有必要提出一種能在較低燒結溫度下利用溶膠凝膠方法合成單斜相氧化鋯納米晶的新方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠降低制備成本的單斜相氧化鋯納米晶粉體的制備方法。

本發明的目的是這樣實現的：

按照摩爾比為0.0025-0.01∶1的配比將Li₂CO₃和Zr(NO₃)₄分別溶解于去離子水中，攪拌至溶液澄清，加入與溶液中陽離子的摩爾比為4∶1的檸檬酸，再調節溶液pH值至6.5-7.5，攪拌至形成溶膠；將上述溶膠在130℃溫度下干燥形成干凝膠；最后在600℃-1000℃下燒結，得到單斜相氧化鋯納米晶粉體。

本發明的實現原理為：Garvie等人的報道表明氧化鋯的晶相與其表面能有密切關系，表面能較小時，能穩定四方相，同時表面能還與晶粒尺寸有密切聯系，晶粒尺寸越大，表面能就越大，所以隨著晶粒尺寸的增加，氧化鋯的晶格結構會由四方相向單斜相轉化。將鋰離子摻雜進入氧化鋯納米晶后，由于鋰離子半徑較小，能夠很容易滲透進入到氧化鋯晶格當中，通過占據晶隙或替代晶格中陽離子格點的方式來影響晶格的結構，其宏觀效果就是增大氧化鋯晶粒的半徑，從而最終改變氧化鋯納米晶的晶相。

本發明的技術效果主要體現在：

1、制備過程簡單。

2、可從兩方面降低成本，一是添加劑鋰離子的成本低，二是通過降低合成溫度降低成本。

3、成品單斜相比例高，結構較純。

附圖說明

圖1單斜相氧化鋯納米晶的制備流程；圖2?700攝氏度條件下燒結的ZrO₂和Li⁺:ZrO₂的XRD圖像(圖中t代表四方相，m代表單斜相)

圖3?800攝氏度條件下燒結的ZrO₂和Li⁺:ZrO₂的XRD圖像(圖中t代表四方相，m代表單斜相)