米ZrO2 /Al2 O3 复合陶瓷粉体中制备及XRD分析检测方案(X射线衍射仪)

Vol11 No.4Aug，2006哈尔滨理工大学学报JOURNAL HARBN UNM. SCI& TECH.第11卷第4期2006年8月 哈 滨理 工大学 学 报第111卷96 纳米 ZiOz /A1 Os复合陶瓷粉体的制备及 XRD分析 梁艳媛， 郭英奎， 郭海峰 (哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150040) 摘 要：以醋酸锆、硝酸铝为原料，柠檬酸作为络合剂，采用溶胶-凝胶法获得前驱体，将前驱体在空气中热分解，制备了纳米 ZO2/AbO3复合陶瓷粉体.采用 XRD考察了合成产物的结构和纯度，分析了制备过程中原料初始浓度及前驱体热分解温度对最终产物的影响.结果表明，初始浓度为 0.6mol/L， 热分解温度为1200℃时，ZO2/A lO3复合陶瓷粉体的粒径为30~ 41mm. 关键词：溶胶-凝胶；ZO2/A bO3纳米粉体；初始浓度；热分解温度 中图分类号：TQ175.6+1 文献标识码：A 文章编号：1007- 2683(2006)04-0095-04 The P reparation and XRD A nalysis ofNanociysallineZIO， /A1 O， Camposite Ceram ic Powders LANG Yan-yuan， GUO Ying-kui GUO Haifeng (M aterial Science& Engineering Co llege H arb in Univ Sci Tech， Harbin 150040 Ch ina) Abstract N anociys talline Z10z /A 1O3 com pos ite pow ders are synthes ized successfu lly from aqueous solution ofmetal n itrate con tain ing citric acid as chelating agent by sol-gelmethod The construct and phase purity of thepow ders are analyzed by means ofXRD. And the twokey factorsin it ial solution concentration and the heat decom-position temperature of the gel are sudied From the exper i entwe can get the conclus ions thatwhen the in itial so-lution concentration is 0. 6mol/L and the heat decomposition ten perature is 1 200℃， we can get the best result Thes ize of Zi02 /A bOs composite pow dersm ade in the best param eters range from 30mm to 41mm. K ey words solge； Zi02/A 103 com posite powders iinitial solution concen tration 纳米复相陶瓷较单相陶瓷其有更好的耐高温、抗腐蚀、高硬度和高韧性等特性，已成为高性能陶瓷材料研究的热点.高性能的复合粉体是制备复相陶瓷材料的基础.制备复合粉体最常用的方法是将不同种类的粉体采用机械球磨混合，但是，这种方法难以得到理想的分散状态，给材料的成型与烧结造成了相当的困难，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不同种类阳离子的液相混合物作为前驱物制备复相粉体12-3]，如采用 CVD 法、溶胶-凝胶法和液相共沉淀法制备 A10；基复相粉体4~61 ( 收稿日期：2005-09-13 ) 近来，有研究者采用水热法热备 AbO3-Z02复相粉体，但由于水热反应进行缓慢、制备周期长、效率较低，同时用该方法a-AlOs的煅烧温度高达1400℃，导致晶粒急剧长大.水热法以及共沉淀法都需要洗掉溶液中的氯离子，工作量大而且在洗涤过程中不同的沉淀很容易分层，而使得混合不均匀.本文采用的柠檬酸络合溶胶凝胶法制备的复合粉体，由于不需要洗涤，合成周期大大缩短，柠檬酸的络合作用以及在高度搅拌下可以使Zr 和 Ar得到很好的分散和固定，两种不同粉体的均匀混合在热分解时可以相互制约晶粒长大，所以可以同时达到粉体粒度 ( 作者简介：梁艳媛(1981-)，女，哈尔滨理工大学硕士研究生. ) 小，两种粉体混合均匀的目的. 1 Zi0，/AbO，复合陶瓷粉体的制备及其测试方法 1.1 ZrOz/AlO3复合陶瓷粉体的制备 以醋酸锆和硝酸铝作为原料，柠檬酸作为络合剂，采用柠檬酸络合法制备了纳米 Zi0z/AO3复合陶瓷粉体，其工艺流程如图1所示，配制一定比例的硝酸铝、柠檬酸溶液，然后混合形成澄清的混合溶液，将醋酸锆缓慢滴加到混合溶液中，此时，澄清的混合溶液中有白色混浊生成，在高速搅拌的同时95℃加热，随着搅拌时间加长，白色混浊逐渐变澄清，继续加热搅拌直到溶液逐渐变少时溶液呈黄色，继续加热搅拌，黄色溶液转变成黄色溶胶，继续加热溶胶变粘稠，成为了黄色凝胶.然后将凝胶放入烘箱中120℃加热，加热 8h后凝胶变为松松的海棉体状前驱体，研磨后在不同温度下焙烧.得到晶化粉体. 图1 制备ZrO/Al：0：复合陶瓷粉体的工艺流程图 1.2测试方法 运用日本理学电机 D /m ax-型X射线衍射仪进行物相和结构分析.测试条件为： CuKz(入=0.15 406mm)， 管电压 40kV，管电流 50mA，扫描方式为连续扫描，扫描范围为10~70°，扫描速率为0.06°/s石墨单色器. 2结果和讨论 2.1 初始浓度对合成产物性能的影响 图2为在相同制备工艺，相同焙烧温度1300℃不同初始浓度制备的粉体的X射线图谱，由标准X射线图谱可知， tZ0z的三强峰所在位置分别是20为30.19150.169°和60.186；a-Ab03的三强峰所在在置分别是20为35.173°43.370和 57.517°，从图2的衍射图谱可以看出，用这种方法可以制备出 Z10，/A10，复合陶瓷粉体，而且杂质含量很少，浓度从 0.2mol/L到 0. 6mol/L 时， XRD图谱中衍射 度对粉体的影响很小，但是在 0.8mol/L和 1.0mol/L时相对强度变小，从实验过程的现象看，这种变化很有可能是因为初始浓度大了，原料在水溶液中溶解不完全所导致，所以制备浓度不宜过大，利用谢乐公式可以计算出在不同浓度时粉体的粒度变化如图3所示，浓度从 0.2mol/L到 0.6mol/L时颗粒逐渐变大但幅度很小，而从 0.6mol/L到 0. 8mol/L时变化幅度很大，从到1.0mol/L时又逐斩减小.从图4不同浓度所得晶体相对含量可以看到，其相对含量变化很小，都保持在98%左右，这种由于浓度变化而引起粒度变化以及晶体相对含量的变化可以从成木以及核长大理论来解释，在 0.2mol/L到 0. 6m ol/L这个过程浓度低成核速率也低，核长大慢，但当浓度达到一定程度时，成核速度快核长大速度也加快，但浓度足够大时，即大于 0.8mol/L时，成核速度过快而核来不及长大，晶体尺寸又有所减小，所以在0.8mol/L时出现了一个转折点，从 0.2mol/L 到0.6mol/L时基本没有什么变化，但是从制备的效率考虑，认为 0.6mol/L是最佳的初始浓度. 图2 不同初始浓度制备的粉体 XRD 图谱 2.2焙烧温度对合成产物性能的影响 图5为在不同热分解温度时得到粉体的 XRD图，热分解温度在1100℃时只有ZO2和很少部分的8-AbOs衍射峰出现，在1200℃有αAbOs和tZiOz的衍射峰，而温度在1300℃和1400℃时除了有 a-AlOs和tZi02的衍射峰外，不出现了m-Z02而且通过计算可知，在1300℃时m-Z02占 Zioz总 图3 不同原料初始浓度所得粉体粒度分布 图4 不同溶液初始浓度所得晶体相对含量体积百分含量为8.14%，在1400℃时为10.18%，从文[8]中可知，对于仅含氧化铝的粉体，其相变经历了如下过程：无定型n-AlOs 8-A1O3 0-A bOs；单一的 AlOs 在1300℃时都转化为(0-A lOs对仅含 Z10z的粉体，相变过程为无定型~tt、m-Z102nm-Z02单一Z02粉体的 tZ0在700℃就转化为 m-Z02，而本文所做的粉体热分解温度在1100℃时才可测到较宽的 tZi0衍射峰，当温度达1200℃及以上时，它们的相组成主要为 a-Al03、tZ02、m-Zi02.可知，在制备复合粉体时 ZiOz晶化温度要比单一粉体的晶化温度高得多，而且比单一时的相变温度要高得多，这是由于ZO2粉体颗粒周围受到了A lO3粉体颗粒的抑制，抑制了 ZiOz 从四方相向单斜相的转变，这也说明了 A lOs还起到了稳定剂的作用，同时从图6中的粉体颗粒尺寸还可以看出，两种粉体相互抑制晶粒的长大，同样 AbO3受到周围 Zi0z的影响，变变温度有所降低，从前人的1300℃降到1200℃这是我们所想要的理想结果，不过当温度在1300℃和1400℃时有少量的 tZi02转变成m-Zi02而且温度越高转变量越大，这会对成型后陶瓷的力学性能产生不利的影响.图7所示为晶体相对含量，虽然从1200℃到1400℃含量升高，晶体相对含量逐渐变大，但是幅度很小，综合以上分析可得，热分解温度在1200℃最佳. 图5 不同热分解温度的粉体X射线图谱 图6 不同焙烧温度对产物粒度的影响 图7 不同热分解温度对产物晶粒相对含量的影响 3结 语 1)通过这种新型的溶胶-凝胶法可以制备出ZiO2/A103纳米复合粉体. 2)原料的最好初始浓度为 0.6mol/L 3)前驱体的最佳热分解温度为1200℃. ( 4)制备出的 Z102/AbO3纳米复合粉体粒度尺 寸小，粒度均匀，都在 30-41mm之间. ) ( 参考文献： ) ( [1] 谢克难，游贤贵.纳米材料及其制备与应用[J].四川有 色 金属，1994 19(2)：8-16 ) ( [2] 王黔平 ， 王金峰.马氏体相变与ZO，增韧陶瓷[J].中国陶瓷，1994 138(5)：45-49. ) ( [3] BRRNGER R. H G l eterP. Mar q uadt App lied Phys ics Letters[ J]. C e ram i c s Society ， 1984 ， 102A (8) ： 72- 7 9. ) ( [4] BRUS L E S ize - Dep endentM ixing C hara c teris tics of Nonvoatile C o m ponents in D i esel [ J]. Exhau s t Aerosols Jou mal of A pplied Physics 199153465 ) ( [5] WA N G Y. Chem ical S yn thesis and Proc e ss ing of Nanostructu red Pow ders and F im s[ J]. The Joumal of PhysicalC hem istiy 1991， 9 5 ： 525 ) ( [6] ZHAO J C he m ical An alysis of A dvan ced C er a m ic M ater i a ls[J]. Jou mal of th e Am erican C eram ic S o ciety 1993 76(2)：503 ) ( [7] NIHARA K. I nn ov ative Products P roc esses a n d O r gan isation[ J]. Joumal o f t he Am er i can Ceram ic Societ y 1991， 99(10)： 9 - 74 . ) ( [8 PIC IACCH IO A. 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