共沉淀法合成纳米氧化锆制备研究(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]。
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, 可分为应力诱发相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面强化韧化等[3] 。
1.2.2 其他性质
ZrO2化学性能稳定, 除H2SO4和HF外, 对酸、碱及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属都具有很好的稳定性; 在各种金属氧化物陶瓷材料中, ZrO2的高温热稳定性、隔热性能最好, Y2O3 稳定ZrO2 材料熔点高达2700℃, 而在1000℃左右转变, 是一种滞后的转变, 同时伴随着体胀。 保证了它在高温下应用时更稳定,最适宜作陶瓷涂层和高温耐火制品; 以ZrO2 为主要原料的锆英石基陶瓷颜料, 是高级釉料的重要成分; ZrO2的热导率[1W /( m• K ) ]在常见的陶瓷材料中最低, 尤其是在高温1000℃时,它的热导率值是所有致密陶瓷材料中最低[ 2.3W / ( m• K) ]的。在气孔和裂纹存在的情况下, Y2O3 稳定ZrO2 材料的热导率值通常在0.8~ 1.7W / ( m• K )之间; 而热膨胀系数( 9 × 10- 6~ 11.5 × 10- 6 / K )又与金属材料较为接近, 成为重要的结构陶瓷材料; 特殊的晶体结构, 使之成为重要的电子材料[4]。
1.3 纳米氧化锆的制备
纳米氧化锆的制备方法有化学法和物理法。其中物理方法主要有蒸发- 冷凝法、溅射法、液态金属离子源法、机械合金法及超声膨胀法等。由于物理法主要用于单质、合金等纳米粒子的制备, 故采用物理法制备ZrO2超细粉的报道较少。目前制备纳米氧化锆的方法主要是采用化学方法, 如湿化学法(包括共沉淀法、乳浊液、水热法、直接沉淀法及均一沉淀法等) 、化学气相法( CVD法)和溶剂蒸发法等。随着纳米技术的进一步发展,制备纳米氧化锆的新方法逐渐趋于成熟[5] 。
1.3.1 共沉淀法
共沉淀法是在水溶性锆盐与稳定剂的混合水溶液中加入氨水等溶液, 反应后生成不溶于水的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐等, 再经加热分解得到高纯度纳米超细粉。郭源源等[6]用共沉淀法制备掺杂复合稳定剂CeO2 - Y2O3 纳米四方多晶氧化锆粉体, 并讨论了pH, 煅烧温度以及稳定剂的含量对所制备的粉体的组成情况和晶粒尺寸。共沉淀法工艺简单, 所得纳米粉体性能较好, 但在洗涤后的沉淀物中, 有少量初始溶液中的阴离子及沉淀剂中的阳离子残留物,对纳米粉体的烧结性能产生不良影响。李燕等[7]，以共沉淀法制得纳米ZrO2超细粉, 用硬脂酸对其表面进行改性, 发现表面发生了类似于酸和醇生成酯的酯化反应, 在粒子表面形成单分子膜, 使表面由极性转变为非极性, 提高了纳米ZrO2超细粉的分散性。