[发明专利]一种超分散纳米氧化锆粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料的制备技术领域，具体涉及一种高纯超分散氧化锆粉体的制备方法。

背景技术

氧化锆是一种十分重要的结构和功能材料，具有优异的物理和化学性能。氧化锆熔点高、硬度大、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化，同时还具有相转变增韧、常温下为绝缘体高温下具有导电性等特性，因此其应用领域极为广泛。

现阶段，氧化锆在众多高科技产品中已成为不可替代的重要材料。随着氧化锆应用领域的进一步拓宽，其市场容量也在不断扩大，而市场对高品质高纯超分散氧化锆粉体制品的需求也越来越旺盛。因此，对高纯超分散纳米氧化锆粉体的制备技术做进一步的研究和创新，必定会对氧化锆的制备与市场供应产生巨大影响。

目前，氧化锆粉体的制备主要有碱熔法、氯化法、等离子发、电熔法等四种方法，除等离子法外，对于其他三种方法我国都有采用。碱熔法和氯化法生产的产品俗称化学氧化锆，电熔法生产的产品成为电熔氧化锆，化学锆纯度高、质量好，但生产工艺流程较长，生产成本较高；电熔锆工艺流程较短，生产成本较低，但产品纯度和一些物理性能不及化学锆；另外对于超纯超细的纳米级粉体的生产，传统的烧成制备方法生产的产品团聚比较严重，颗粒分布不均匀，有晶粒异常长大的现象；同时，传统的烧成方法，烧成时间长，能量消耗大，且烧成过程造成的CO₂排放和高温辐射会对环境产生恶劣影响。作为一种新兴的替代烧结技术，微波烧结主要依靠介电材料的介电损耗吸收电磁能，自身加热至烧结温度，是一种体加热过程，能实现快速升温，具有较强优势。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种超分散纳米氧化锆粉体的制备方法，以克服现有制备方法能源消耗大、环境污染严重、制得纳米粉体易团聚等缺陷。

基于上述目的，本发明采取的技术方案为：一种超分散纳米氧化锆粉体的制备方法，步骤包括：利用交叉喷淋技术，使含有锆离子的水溶液与碱液雾化混合反应，分离出反应所得沉淀，洗涤、干燥得前驱体粉料；对所述前驱体粉料进行微波烧结，即得产品。

所述含有锆离子的水溶液由氯氧化锆溶解于水得到，氯氧化锆的浓度为0.8～1.2mol/L。

所述含有锆离子的水溶液中掺杂有1～9mol%的硝酸钇（即钇离子占锆+钇离子总数的1～9mol%）。

所述碱液为氨水。

所述氨水浓度为12～14wt%。

所述微波烧结的具体操作为：将前驱体粉料置于辅助加热保温装置（其结构可参考CN201120369709.0）中，然后将两者一同放入微波谐振腔内进行烧结；升温至700～900℃，保温10～25min后关闭微波电源空冷至室温，即得产品。

升温时先以6～30℃/min的速率升温至200℃，然后以20～60℃/min的速率升温至400℃；然后再以20～40℃/min的速率升温至700～900℃。

空冷时控制降温速率为-15～-10℃/min。

利用体积比1:2～10的乙醇和蒸馏水混合溶液对反应沉淀进行反复洗涤，抽滤，直至用硝酸银检测滤液无Cl-后再进行干燥。

本发明利用喷淋反应与微波烧结的方式结合，其中喷淋反应有助于提高反应均匀性，从而可对产品粒度进行有效控制；微波烧结时通过调节输入功率与反射功率来控制升温速率，整个烧结过程经历了缓慢升温-迅速升温-匀速升温-保温-匀速降温五个阶段，克服了常规烧制氧化锆粉体热场不均匀、晶粒异常长大、颗粒易团聚、生产成本高等问题。通过该方法制备出的粉体粒度小、尺寸分布窄且分散性好。同时，还可以根据氧化物的吸波特性来不断增大前驱体粉料的用量，实现可重复性实验，为工业化生产奠定了基础。具体而言，本发明的技术方案具有如下优势：

（1）本发明采用交叉喷淋混合反应，能够克服现有直接沉淀法中因高粘度产物生成而导致的体系粘度急剧增大问题，从而恶化混合效果。交叉喷淋中，碱液与母液以雾滴形式在空中相遇并发生反应，生成的沉淀落下并及时排出反应体系之外，依旧在空中进行的反应不会受其影响，从而获得高分散的纳米颗粒。由于整个反应过程更为均匀，产品粒度与颗粒均匀度能够得到有效控制，可以满足高分散纳米粉体领域的需求。

（2）相对于常规烧结，微波烧结抑制了团聚的产生和晶粒的过分增长，粒子分布均匀，成分均匀稳定，能够在较低的温度下得到粒径为10~60nm的无团聚氧化锆粉体。该粉体产品与水或醇搅拌混合均匀后，可在15-25天维持稳定分散状态。

（3）工艺流程简单、烧结时间短，具有能耗低、绿色无污染等优势，适宜氧化锆粉体的规模化生产。

附图说明