一种锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法技术

本申请公开了一种锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，包括以下步骤：将Gd2O3粉体及ZrO2粉体按照设定比例混合后研磨，将研磨所得的混合粉体置于石墨模具中，将石墨模具放入放电等离子烧结装置进行烧结，保温设定时间后，冷却得到锆酸钆玻璃陶瓷烧结体。本申请通过升温速率高、耗时短的放电等离子烧结装置来烧结混合粉体，能够大大提高合成速度，本方法相对于控制微晶生长以获得玻璃陶瓷的工艺而言，本方法具有工艺过程简单，节能环保，安全可靠等特点，且所获得的锆酸钆玻璃陶瓷晶相组成单一，两相分布均匀，适合用于固化复杂组分的高放废物。

Synthesis of Gadolinium Zirconate Glass Ceramics

The application discloses a method for synthesizing gadolinium zirconate glass-ceramics, which includes the following steps: mixing Gd2O3 powder and ZrO2 powder according to a set proportion, grinding the grinding powder, placing the grinding powder in a graphite mould, sintering the graphite mould in a spark plasma sintering device, holding a set time, and cooling to obtain gadolinium zirconate glass-ceramics sintering body. Compared with the process of controlling the growth of microcrystals to obtain glass-ceramics, this method has the advantages of simple process, energy saving, environmental protection, safety and reliability, and the obtained GdZr glass-ceramics have a single crystal phase composition and two-phase distribution. Uniform, suitable for solidifying high-level radioactive waste with complex components.

【技术实现步骤摘要】
一种锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法
本专利技术涉及放射性废物处理领域，具体涉及锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法。
技术介绍
核工业的迅速发展促进了人类社会的进步，但同时也不可避免地产生一定量的放射性废物，对动植物及人类赖以生存的环境构成巨大的威胁。其中，高放废物由于其放射性强、生物毒性大、半衰期长、释热率高、核素种类多等特点成为目前放废处理的难题。锆酸钆(Gd2Zr2O7)具有高致密度、高机械强度、热稳定性好等优点，同时在高放废物的处理中表现出可靠的化学稳定性及辐照稳定性，成为近年来高放废物固化理想基材之一。随着固化方法的创新发展，发现钆锆烧绿石玻璃陶瓷兼具烧绿石本身的优点和玻璃陶瓷包容性强、固溶量大的优势，因此钆锆烧绿石玻璃陶瓷成为高放废物固化体更理想的基材。现有的钆锆烧绿石合成方法有水热合成法、溶胶凝胶法、热压法、高温固相法、微波烧结法等，以上方法在合成过程中存在耗时长、工艺复杂等不足。此外，玻璃陶瓷固化基材的传统制备方式为在焦耳加热的条件下，基材从陶瓷相转变为玻璃相，再通过微晶生长形成玻璃陶瓷混合相的模式。其晶体的生长控制较为复杂，基材的均一性难以保证，且该过程时间较长，能耗较高，因此需要寻找一种锆酸钆玻璃陶瓷快速可控的合成新方法。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，本专利技术提供了一种利用氧化钆(Gd2O3)粉体和氧化锆(ZrO2)粉体直接快速合成锆酸钆(Gd2Zr2O7)玻璃陶瓷的方法。本专利技术采取的技术方案如下：一种锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，包括以下步骤：将Gd2O3粉体及ZrO2粉体按照设定比例混合后研磨，将研磨所得的混合粉体置于石墨模具中，将石墨模具放入放电等离子烧结装置进行烧结，保温设定时间后，冷却得到锆酸钆玻璃陶瓷烧结体。本申请通过升温速率高、耗时短的放电等离子烧结装置来烧结混合粉体，能够大大提高合成速度，本方法相对于控制微晶生长以获得玻璃陶瓷的工艺而言，本方法具有工艺过程简单，节能环保，安全可靠等特点，且所获得的锆酸钆玻璃陶瓷晶相组成单一，两相分布均匀，适合用于固化复杂组分的高放废物。于本专利技术其中一实施例中，在研磨前还包括对原料的预处理步骤，所述预处理步骤具体为：在常温到200℃之间的温度下，对Gd2O3粉体及ZrO2粉体通风干燥0.5～5h。更具体为在70℃的温度下通风干燥2h。于本专利技术其中一实施例中，混合粉体中，按化学计量比计，Gd2O3与ZrO2粉体的摩尔比值为0.363～0.667。更具体可为0.474～0.579。于本专利技术其中一实施例中，混合粉体中，按质量百分数计，Gd2O3与ZrO2粉体质量比为1.069～1.962。更具体可为1.261～1.703。于本专利技术其中一实施例中，所述烧结的温度为500℃～2000℃，保温的时间为1min～10min。于本专利技术其中一实施例中，所述烧结的温度为1200℃～1900℃。烧结的温度更具体为1700℃或1900℃，所述保温时间具体可为1min～8min，更具体为3min或6min。于本专利技术其中一实施例中，混合粉体进行烧结时，对石墨模具加压，使混合粉体的压强为10MPa～60MPa。更具体可为20MPa～40MPa于本专利技术其中一实施例中，所述冷却的具体过程为：以50～200℃/min的降温速率降温至100℃～300℃。更具体的，可以以60～150℃/min的降温速率降温至100～200℃。实际运用时，通过水冷系统进行冷却。于本专利技术其中一实施例中，合成方法通过合成设备进行实施，所述合成设备包括：干燥装置，用于干燥Gd2O3粉体和ZrO2粉体；研磨装置，用于混合并研磨Gd2O3粉体和ZrO2粉体，得到混合粉体；石墨模具，用于装载混合粉体；以及放电等离子烧结装置，用于烧结混合粉体；所述研磨装置包括研磨机构和辅助机构，所述研磨机构包括：第一机架；支撑座，转动安装在机架上，支撑座具有多个贯穿的定位孔；第一电机，用于驱动所述支撑座转动；研钵，下端具有多根定位柱，定位柱与对应的定位孔配合，研钵通过定位柱插设在支撑座上，与支撑座贴靠；研磨电机，设置在所述研钵的上方，研磨电机的输出轴上固定有安装盘；研磨棒，偏心的安装在所述安装盘上，研磨棒用于与研钵配合，进行研磨操作；以及升降机构，设置在研磨电机的上方，用于驱动研磨电机上下移动；所述辅助机构包括：第二机架；硬管，具有转动部和延伸部，所述转动部转动安装在第二机架上，且转动部上安装有第一齿轮；乙醇储存箱；软管，穿设在所述硬管中，且软管的一端与乙醇储存箱连接，另一端穿出所述延伸部；输液泵，安装在软管上，用于将乙醇储存箱中的乙醇通过软管向外输送；第二电机，输出轴上安装有第二齿轮，所述第二齿轮与第一齿轮啮合，第二电机用于控制转动部转动，使延伸部的端部位于研钵的正上方或远离研钵的正上方。研磨装置的工作原理：研磨机构用于对Gd2O3粉体和ZrO2粉体进行研磨，辅助机构用于向研钵输送乙醇，乙醇作为研磨介质辅助研磨操作，且研磨完成后，乙醇会蒸发掉，最终得到干燥的混合粉体。升降机构能够使研磨棒靠近或远离研钵，研磨棒偏心的安装在安装盘上，使得研磨电机工作时，研磨棒能够可靠的进行研磨操作，通过定位孔和定位柱的配合，研磨能够可靠限定住，且取出也较为方便，第一电机能够驱动支撑座在30°角度内转动，从而可以保证较好的研磨效果。辅助机构中，通过第二电机能够驱动硬管转动，因为软管穿设在硬管中，所以软管能够被硬管带着转动，从而软管的出口可以在研钵的正上方和非正上方进行切换，在需要时通过转动硬管可以向研钵输送乙醇，不需要时，可以转移硬管，使硬管远离研钵，防止硬管与工作状态下的研磨机构产生干涉。于本专利技术其中一实施例中，所述干燥装置为高温理化箱；所述延伸部的端部竖直向下设置；所述升降机构为气缸或液压缸。本专利技术的有益效果是：本专利技术的方法具有工艺过程简单、节能环保、安全可靠等特点，本专利技术所得的锆酸钆玻璃陶瓷具有较高体积密度及基质两相均匀分布的特点，具有良好的工业应用前景。附图说明：图1是合成设备(省略干燥装置)的示意图；图2是研磨装置的示意图。图中各附图标记为：1、研磨机构；2、辅助机构；3、石墨模具；4、放电等离子烧结装置；5、第一机架；6、支撑座；7、第一电机；8、研钵；9、定位柱；10、定位孔；11、研磨电机；12、升降机构；13、安装盘；14、研磨棒；15、第二机架；16、硬管；17、转动部；18、延伸部；19、第一齿轮；20、软管；21、输液泵；22、乙醇储存箱；23、第二电机；24、第二齿轮。具体实施方式：下面结合具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。下述实施例中，所用放电等离子烧结装置型号为SinterLandInc,Japan,Model320MKII。所用Gd2O3(氧化钆)粉体购买自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。所用ZrO2(氧化锆)粉体购买自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。实施例1：(1)采用摩尔比值为0.498的Gd2O3粉体与ZrO2粉体作为原料进行70℃温度下通风干燥2h的预处理。(2)将干燥后的Gd2O3粉体与ZrO2粉体充分研磨，得到混合粉体，将混合粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：将Gd2O3粉体及ZrO2粉体按照设定比例混合后研磨，将研磨所得的混合粉体置于石墨模具中，将石墨模具放入放电等离子烧结装置进行烧结，保温设定时间后，冷却得到锆酸钆玻璃陶瓷烧结体。

【技术特征摘要】
1.一种锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：将Gd2O3粉体及ZrO2粉体按照设定比例混合后研磨，将研磨所得的混合粉体置于石墨模具中，将石墨模具放入放电等离子烧结装置进行烧结，保温设定时间后，冷却得到锆酸钆玻璃陶瓷烧结体。2.如权利要求1所述的锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，在研磨前还包括对原料的预处理步骤，所述预处理步骤具体为：在常温到200℃之间的温度下，对Gd2O3粉体及ZrO2粉体通风干燥0.5～5h。3.如权利要求1所述的锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，混合粉体中，按化学计量比计，Gd2O3与ZrO2粉体的摩尔比值为0.363～0.667。4.如权利要求1所述的锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，混合粉体中，按质量百分数计，Gd2O3与ZrO2粉体质量比为1.069～1.962。5.如权利要求1所述的锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，所述烧结的温度为500℃～2000℃，保温的时间为1min～10min。6.如权利要求5所述的锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，所述烧结的温度为1200℃～1900℃。7.如权利要求1所述的锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，混合粉体进行烧结时，对石墨模具加压，使混合粉体的压强为10MPa～60MPa。8.如权利要求1所述的锆酸钆玻璃陶瓷的合成方法，其特征在于，所述冷却的具体过程为：以50～200℃/min的降温速率降温至100℃～300℃。9.如权利要求1所述的锆...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢喜瑞，文攀，舒小艳，李炳生，陈顺彰，魏贵林，唐鹤溪，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51