[发明专利]一种铈掺杂锆酸镧纳米粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铈掺杂锆酸镧纳米粉体及其制备方法，属于无机非金属材料制备与应用领域。

背景技术

锆酸镧材料具有独特的晶体结构，化学稳定性好、热导率低，是一种重要的结构和功能陶瓷。铈掺杂锆酸镧材料具有熔点高、热导率小、热膨胀系数大、化学稳定性好，高温下无相变，是高温热障涂层材料的重要候选材料。同时该材料还具有高的辐照稳定性，可以作为核废料处理过程中的固化介质材料。另外，该材料晶格中含有大量的氧空位，具有阳离子的导电特性，可作为高温固体燃料电池的候选材料及气敏材料（用于氧气传感器）。除此利用其荧光特性可用作荧光材料。

锆酸镧材料虽然具有优异的热力学性能，但其热膨胀系数较小（室温~1200℃约9.7×10^-6K^-1），因此其在用作热障涂层材料时，存在与基体材料不匹配的问题。研究表明CeO₂具有较高的热膨胀系数，刘喜华（北京科技大学学报，2004），周宏明（有色金属学报，2007）等人研究发现掺杂CeO₂制备的CeO₂-La₂O₃-ZrO₂微米级复合陶瓷粉体具有相对较高的热膨胀系数。但他们制备铈掺杂复合陶瓷粉体的过程中，Ce并不是按照化学计量比进行B位掺杂的，而是以较小的固溶度加入到体系中去，且由此得到的陶瓷粉体是复相结构。曹学强等人研究了La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇涂层的结构和性能（Journal of Alloys and Compounds, 2010），研究结果表明该涂层并不是以单相形式存在，而是多个晶相的混合物，多相陶瓷粉体之间因热膨胀系数存在差异，在高温下会产生局部应力导致陶瓷的开裂。

除此，目前研究结果皆表明：纳米粉体比传统的微米级粉体具有更加优异的性能，因此制备铈掺杂锆酸镧纳米粉体的关键还在于制备得到晶体粒度细小（纳米级）、粒度分布均匀、纯度高、团聚少的纳米粉体目标产品。

目前制备稀土锆酸盐粉体的方法主要有传统高温固相法和液相法，这些方法各有其特点，但也存在很多不足。如CN 102070335以钇稀土氧化物为原料，按一定比例混合，以无水乙醇作为分散剂，经过研磨、干燥、成型、煅烧、破碎、球磨，分级等工艺制得粒度小于1μm的锆酸盐粉体。该方法工艺比较简单易行，但该方法煅烧温度较高，而且粉体粒径较大，粒度分布不均，严重影响材料的性能。共沉淀是一种常见的液相法，一般是在复合稀土溶液中加入沉淀剂，得到氢氧化物沉淀，再经过过滤、洗涤、脱水、干燥、煅烧，得到锆酸盐粉体，这种方法易于实施，可制得粒度小、成分较易控制的多组分纳米粉末，但不足之处在于制得的粉体往往存在较多的硬团聚体。CN 101407336采用共沉淀法制备锆酸镧粉体，为了解决粉体团聚问题，加入十六烷基三甲基溴化铵作为分散剂，并以乙醇洗涤沉淀产物。CN 102030368 A以稀土硝酸盐为原料，无水乙醇和水作为溶剂，添加柠檬酸和聚乙二醇制得溶胶，然后采用燃烧法制得前驱体粉体，再高温热处理，制得单相稀土锆酸盐粉体。该方法制备的粉体粒度较小，分布较为均匀，但该工艺过程较为复杂，不利于工业化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铈掺杂锆酸镧纳米粉体及其制备方法，该铈掺杂锆酸镧纳米粉体为单相烧绿石结构，粒度30-250nm，粒度分布均匀可控，形貌规整，由Ce对Zr位进行掺杂得到，化学式为La₂Zr_2-xCe_xO₇，其中：0.1≤x≤0.5；制备工艺简便可控。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种铈掺杂锆酸镧纳米粉体，其特征在于：它为单相烧绿石结构，粒度30~250nm，粒度分布均匀可控，呈球状，由Ce对Zr位进行掺杂得到，化学式为La₂Zr_2-xCe_xO₇，其中：0.1≤x≤0.5。

按上述方案，所述铈掺杂锆酸镧纳米粉体的化学式中的x优选取值为：0.16≤x≤0.3。

上述铈掺杂锆酸镧纳米粉体可采用以下制备方法制备，具体包括如下步骤：