二氧化锆的制备及其性能检测
摘 要本文简要介绍目前二氧化锆的制备方法（共沉淀法、溶胶凝胶法、喷雾热解法、金属有机物水解法、水热法、反向胶团法等），主要以水热法为例，详细介绍其制备过程及步骤，并检测制得二氧化锆的各项性能（红外、XRD）。本文采用水热法制备氧化钇稳定氧化锆(YSZ)纳米粉术，以Zr4+和Y3+的氢氧化物为热前驱体，氢氧化钾和碳酸钾作矿化剂，研究水热处理温度、PH值和矿化剂浓度对水热合成纳米氧化锆晶型结构的影响。实验的各项性能结果表明：高的反应温度有利于立方氧化锆的生成，矿化剂的加入对合成产物晶化度和晶粒大小有显著的影响，体系pH值会影响水热前驱体的结构，进而影响水热合成纳米氧化锆的晶型。在Y2O3 掺杂量比较大的时候，PH值的变化对氧化锆晶型的影响不明显，晶型由掺杂量决定。在本文中还附有二氧化锆制备步骤及其性能检测的各种实验数据，用到的实验仪器，可操作性强，从而为制备粒度和晶型可控的纳米二氧化锆粉末提供实验依据。关键词： 二氧化锆 制备方法 水热法 性能检测 Title Preparation and properties of zirconium dioxide detectionAbstractThis paper introduces the preparation methods of the present zirconia（Coprecipitation、Sol - gel method、Spray pyrolysis、Hydrolysis of metal organic、Hydrothermal、Reverse micelles and so on）. Case Study of the main hydrothermal. Details of their preparation process and steps, and detection system was the performance of zirconia (XRD). In this paper, hydrothermal yttria stabilized zirconia nano-powder technique to Zr4+ and Y3+ in the hydroxide precursor for the heat, potassium hydroxide and potassium carbonate as a mineralizer of hydrothermal treatment temperature, PH value and mineralizer concentration on the hydrothermal synthesis of nano-zirconia crystal structure. Experimental results show that the performance: the high temperature is conducive to the formation of cubic zirconia, the addition of mineralizer on the synthesis of the product crystallinity and grain size have significant effects, pH value of hydrothermal precursor structure, thereby affecting the hydrothermal synthesis of nano-crystalline zirconia. Y2O3 doping in time than the larger, pH values on the crystal structure of zirconia was not obvious, crystal form determined by the doping. Also included in this article zirconia preparation steps and performance testing of a variety of experimental data used in the experimental apparatus and operable so as to prepare a controlled particle size and crystal structure provide the experimental nano-zirconia powder basis.Keywords Zirconia Preparation Hydrothermal Performance Testing目 次 1 引言 1 1.1 二氧化锆的性能11.1.1 物理性能11.1.2 化学性能11.2 二氧化锆的制备方法21.2.1 共沉淀法21.2.2 溶胶凝胶法21.2.3 喷雾热解法21.2.4 金属有机物水解法31.2.5 反向胶团法31.2.6 水热法31.2.7 碱熔法41.2.8 二氧化锆制备工艺发展趋势4 1.3 二氧化锆的用途51.3.1 增韧、强化陶瓷61.3.2 二氧化锆在特种陶瓷中的应用71.3.3 二氧化锆在耐火材料中的应用71.3.4 二氧化锆在玻璃种的应用71.3.5 二氧化化锆在其它方面的应用81.4 二氧化锆的发展趋势81.4.1 高纯二氧化锆81.4.2 复合纳米二氧化锆粉末的开发91.4.3 二氧化锆溶胶92 实验11 2.1 实验设计11 2.2 实验材料12 2.3 实验步骤133 实验结果分析与讨论14 3.1 PH值得影响 14 3.2 矿化剂的影响15 3.3 氧化钇掺杂量的影响16 3.4 反应温度的影响17结论24致谢25参考文献26附录A27IV1 引言1. 1 二氧化锆的性能 二氧化锆( ZrO2 ) 是一种耐高温、耐磨损、耐腐蚀的无机非金属材料。随着电子和新材料工业的发展, ZrO2 除传统应用于耐火材料和陶瓷颜料外, 其在电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等高科技领域的应用引起广大学者的重视, 成为当今研究开发的热门课题之一。本文主要就其性质、用途及其发展趋势作简要论述。1. 1 .1 物理性质 二氧化锆具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质。二氧化锆有3 种晶型, 属多晶相转化的氧化物。稳定的低温相为单斜晶结构( m - ZrO2 ) , 高于1000 时四方晶相( t-ZrO2 ) 逐渐形成, 直至2370 只存在四方晶相, 高于2370至熔点温度则为立方晶相( c-ZrO2 ) 。ZrO2 在加热升温过程中伴随着体积收缩, 而在冷却过程中则体积膨胀。因此在使用时为使其不发生体积变化, 必须进行晶型稳定化处理。常用的稳定剂有Y2O3、CaO、MgO、CeO2和其它稀土氧化物。这些氧化物的阳离子半径与Zr4+ 相近( 相差在12%以内) ,它们在ZrO2 中的溶解度很大, 可以和ZrO2 形成单斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。这种固溶体可以通过快冷避免共析分解, 以亚稳态保持到室温。快冷得到的立方固溶体保持稳定, 不再发生相变, 没有体积变化, 这种ZrO2 称为全稳定ZrO2 , 写为FSZ( Fully Stabilized Zirconia) 。基于ZrO2 晶型转变的特征条件和不同类型稳定剂的作用, 通常稳定剂Y2O3、CaO、MgO、CeO2 的有效加入量(摩尔分数) 分别为7%14% , 15% 29% , 16% 26%, > 13% 。根据不同的应用条件, 稳定剂可以单独使用, 也可以混合使用, 从而得到具有不同性能的ZrO2 产品, 这是当前ZrO2 复合材料研究、开发和应用的热门课题之一。 1. 1. 2ZrO2 化学性质氧化锆具有良好的化学性质。它是一种弱酸性氧化物, 对碱溶液以及许多酸性溶液( 热浓H2SO4、HF 及H3PO4 除外) 都具有足够的稳定性。用ZrO2制成的坩埚可熔炼钾、钠、铝和铁等多种金属。它对硫化物、磷化物等也是稳定的。许多硅化物的熔融物及矿渣等对烧结ZrO2 亦不起作用。熔融碱式硅酸盐以及含有碱土金属的熔融硅酸盐, 在高温下对烧结ZrO2有侵蚀作用。强碱与ZrO2在高温下反应生成相应的锆酸盐。在高温下( 2220 以上) 的真空中, ZrO2和碳作用生成ZrC,和氢或氮气作用生成相应的氢化物或氮化物。总之, 由于ZrO2具有优良的物理化学性质, 它在电子和新材料工业的发展中具有广阔的应用前景。为使我国丰富的锆资源向高值化深度开发的方向发展, 必须加快我国高纯超细ZrO2和锆溶胶的产业化速度。1. 2 二氧化锆的制备方法1. 2. 1 共沉淀法12 该法是利用ZrOCl2或ZrO(NO3)2 等可溶性锆盐与沉淀剂在溶液中进行共沉淀反应，然后在高温下煅烧得到ZrO2，沉淀剂一般为氨水等碱性物质，这种方法要求的工艺简单，易于添加其他微量
