一种四方相氧化锆纳米粉体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种四方相氧化锆纳米粉体的制备方法通过采用液相等离子体方法在室温下进行，避免了常规粉体制备中的高温烧结、球磨等复杂工艺处理过程，粉体分散性好，不存在烧结过程中的硬团聚现象。在实施过程中，采用高压脉冲信号在电极间形成高能等离子体，并结合低温溶液的快速淬灭作用，获得室温下可稳定存在的四方相氧化锆纳米粉体，改善粉体的结构和性能。基于该方法合成的四方相氧化锆纳米粉体在先进功能陶瓷材料与器件等领域中将具有广阔应用前景。广阔应用前景。广阔应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种四方相氧化锆纳米粉体的制备方法


[0001]本专利技术属于先进功能陶瓷材料制备
，具体地说，涉及一种四方相氧化锆纳米粉体的制备方法。

技术介绍

[0002]在新材料研究领域，由于氧化锆(ZrO2)具有优异的耐热、耐腐蚀和可塑性,已成为重要的基础原料，大量应用于耐火材料、陶瓷、光学玻璃、二氧化锆纤维、催化剂载体和生物陶瓷材料等。相对于单斜相二氧化锆，四方相二氧化锆具有更高的硬度和弹性模量，以四方相结构的纳米粉体作为原始粉料，可获得具有超塑性结构的烧结体，提高产品的使用性能。同时，由于纳米粉体具有小尺寸和大的比表面积，当用作陶瓷材料时可以改善基体的性能，降低烧结温度，延长构件的使用寿命，减少成本，并且纳米级四方相氧化锆催化活性更高，可以用作催化剂，更有效地提高材料催化性能等。
[0003]虽然四方相二氧化锆应用广泛，但属于高温相，不能在室温下稳定存在，所以研究的关键就在于如何获得室温下稳定存在的四方相结构。目前，制备二氧化锆纳米粉体的方法主要有微乳液法、溶胶
–
凝胶法、水热法、沉淀法等，但是以上合成纳米氧化锆的方法均存在某些不足之处。微乳液法是合成单分散纳米粒子的一种有效途径，但是有机溶剂的不可回收性和高昂的价格限制了微乳液法的使用。溶胶凝胶法实验条件简单、操作方便、成本低，且产物成分易控制、化学均匀性好，但是所需原料昂贵、反应周期长、水解条件难以控制，并且凝胶干燥时收缩大，产物易团聚；水热法是制备纳米晶氧化锆的常用方法，但设备投入大、技术要求高。企业多选择以沉淀法进行纳米氧化锆粉体的生产，然而，避免杂质离子和氢键在干燥及热处理过程中引起粉体团聚，需要多次的水洗和醇洗过程等是困扰包括沉淀法、水热法和溶胶
‑
凝胶法在内的几乎所有湿化学法制备纳米氧化锆的主要问题。因此，如何更加高效和低成本地解决纳米氧化锆粉体在前驱体制备、干燥及热处理过程中的团聚问题，是合成高质量氧化锆粉体的亟需解决的难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的所要解决的技术问题在于提供一种四方相氧化锆纳米粉体的制备方法。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案为：
[0006]一种四方相氧化锆纳米粉体的制备方法，包括如下步骤：
[0007]反应环境预建立，取双层玻璃烧杯并倒入反应液体，随后往双层玻璃烧杯的隔层中通入循环冷却水；
[0008]液体搅拌，将反应环境与建立后的双层玻璃烧杯放置到磁力搅拌装置上，通过磁力搅拌转子对反应液体进行搅拌；
[0009]固定电极，选用一组两根高纯锆棒材作为电极，固定在电极工位上，将电极探入双层玻璃烧杯中并处于反应液体内；
[0010]高能等离子体环境生成，对两电极通入高压脉冲，通过电极工位控制两电极之间
的间距，使两电极之间的反应液体被击穿放电形成具有强氧化性的高能等离子体；
[0011]锆离子获取，两电极处于高能等离子体的包裹中，电极表面将被蒸发形成活跃的锆原子，锆原子在强电场作用下发射电子后转变为带电的具有高能量的锆离子；
[0012]纳米粉体制备，通过锆离子与高能等离子体进行氧化反应，生成热氧化锆团簇并积累长大，随后被周围的低温反应液体猝灭，从而停止长大并形成四方相氧化锆纳米粉体。
[0013]本专利技术具有以下有益效果：该技术在室温下进行，避免了常规粉体制备中的高温烧结、球磨等复杂工艺处理过程，粉体分散性好，不存在烧结过程中的硬团聚现象。在实施过程中，采用高压脉冲电源在电极间形成高能等离子体，并结合低温溶液的快速淬灭作用，使纳米颗粒中的结合应力不能够充分释放，导致颗粒内部产生大量的剩余应力，纳米氧化锆粉体在强应力包裹下，增强了四方相的稳定性(这方面的结论早有文献报道)，从而获得室温下稳定存在的四方相氧化锆粉体，改善粉体的结构和性能。基于该方法合成的四方相氧化锆纳米粉体在先进功能陶瓷材料与器件等领域中将具有广阔应用前景。
附图说明
[0014]图1为本专利技术制备的粉体的XRD图谱。
[0015]图2为本专利技术制备的粉体的SEM图谱。
具体实施方式
[0016]下面结合实施例对本专利技术做详细说明。
[0017]实施例：
[0018]本专利技术实施例的一种四方相氧化锆纳米粉体的制备方法，本实施例采用液相等离子体法合成粉体，包括如下步骤：
[0019]反应环境预建立，取双层玻璃烧杯并倒入反应液体，随后往双层玻璃烧杯的隔层中通入循环冷却水；所述反应液体为纯净水，所述双层玻璃烧杯置于室温环境中，所述高纯锆棒材的直径为1
‑
10mm。采用循环冷却水对双层玻璃烧杯进行实时冷却，进而保证反应液体的外周保持较低温度，从而使低温的反应液体能够对反应中的热氧化锆团簇形成猝灭效果。
[0020]液体搅拌，将反应环境与建立后的双层玻璃烧杯放置到磁力搅拌装置上，通过磁力搅拌转子对反应液体进行搅拌；磁力搅拌装置对反应液体进行搅拌，使液体形成移动的转动，进而对反应液体中生成的粉体形成一定的应力，有助于促进热氧化锆团簇的积累长大。
[0021]固定电极，选用一组两根高纯锆棒材作为电极，固定在电极工位上，将电极探入双层玻璃烧杯中并处于反应液体内；电极处于反应液体中的部分参与反应，会造成一定的损耗，因此，为了尽可能的原材料引用，优选的将电极除了必须连接电源以及用于固定的部分以外，其余部分均没入反应液体中，提高反应效果。
[0022]高能等离子体环境生成，对两电极通入高压脉冲，所述高压脉冲由电压控制在0.5
‑
20kv的高压脉冲电源提供，所述高压脉冲电源的频率控制在200～8000Hz，脉宽控制在20～5000ns。在该范围内可以进行适当调节，以控制反应速率。本实施例在调节过程中，选择需要的脉冲电压，然后调节频率和脉宽与之相匹配。当脉冲电压较低时，反应速率较慢，
随着脉冲电压的增加，反应速率变快。在一定的脉冲电压下，通过调节频率和脉宽，也可以达到调节反应速率的效果，一般频率越快，脉宽越窄，反应速率会较快。在本专利技术中提供的范围内，都能获得本专利技术所要获得的那么粉体，区别仅在于获得速率的差别。
[0023]通过电极工位控制两电极之间的间距，使两电极之间的反应液体被击穿放电形成具有强氧化性的高能等离子体，击穿反应液体的电极间距小于5mm；所述反应液体在高压脉冲的电解中，形成所述高能等离子体，所述高能等离子体由强氧化物聚集而成，所述强氧化物包括超氧化物、过氧化氢和羟基。
[0024]所述电解反应过程如下，
[0025]H2O——
→
H
+
+OH
‑
[0026]4H2O——
→
2O2‑
+2H
+
+3H2[0027]2O2‑
+H2——
→
2OH
‑
+O2[0028]2O2‑
+2H2O+2H
+
——
→
3H2O2。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四方相氧化锆纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：反应环境预建立，取双层玻璃烧杯并倒入反应液体，随后往双层玻璃烧杯的隔层中通入循环冷却水；液体搅拌，将反应环境与建立后的双层玻璃烧杯放置到磁力搅拌装置上，通过磁力搅拌转子对反应液体进行搅拌；固定电极，选用一组两根高纯锆棒材作为电极，固定在电极工位上，将电极探入双层玻璃烧杯中并处于反应液体内；高能等离子体环境生成，对两电极通入高压脉冲，通过电极工位控制两电极之间的间距，使两电极之间的反应液体被击穿放电形成具有强氧化性的高能等离子体；锆离子获取，两电极处于高能等离子体的包裹中，电极表面将被蒸发形成活跃的锆原子，锆原子在强电场作用下发射电子后转变为带电的具有高能量的锆离子；纳米粉体制备，通过锆离子与高能等离子体进行氧化反应，生成热氧化锆团簇并积累长大，随后被周围的低温反应液体猝灭，从而停止长大并形成四方相氧化锆纳米粉体。2.根据权利要求1所述的四方相氧化锆纳米粉体的制备方法，其特征在于：所述高能等离子体由强氧化物聚集而成，所述强氧化物包括超氧化物、过氧化氢和羟基。3.根据权利要求2所述的四方相氧化锆纳米粉体的制备方法，其特征在于：所述反应液体为纯净水，所述反应液体在高压脉冲的电解中，形成所述高能等离子体，所述电解反应过程如下，H2O——
→
H
+
+OH
‑
4H2O——
→
2O2‑
+2H
+
+3H22O2‑
+H2——
→
2OH
‑
+O22O2‑
+2H2O+2H
+
——
→
3H2O2。4.根据权利要求3所述的四方相氧化锆纳米粉体的制备方法，其特征在于：纳米粉体制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋超，涂溶，罗国强，张联盟，
申请(专利权)人：化学与精细化工广东省实验室潮州分中心，
类型：发明
国别省市：