一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法技术

一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法，属于纳米精细陶瓷复合材料领域，步骤如下：将含钨酸根的阴离子水溶液和含锆的阳离子水溶液同时在蠕动泵的控制下滴加到纳米氧化硅水溶液中；将混合溶液水浴环境下超声振荡；将浓盐酸加入到溶液中直至氢离子的浓度达到0.1～2mol/L，并在水浴环境下持续超声振荡，得到复合材料的前驱体悬浊液；将前驱体悬浊液加入反应釜后密封，180～190℃环境保温至少3.5h；收集沉淀，进行陈腐、过滤、烘干，在450～520℃下进行煅烧，得到纳米氧化硅夹芯在钨酸锆晶体内部的复合粉体。本发明专利技术从纳米尺度提升精细陶瓷复合材料的均质化，有效抑制纳米粒子团聚造成的复合材料热应变损伤。子团聚造成的复合材料热应变损伤。子团聚造成的复合材料热应变损伤。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法


[0001]本专利技术属于纳米精细陶瓷复合材料领域，具体涉及一种制备氧化硅/钨酸锆复合粉体的工艺，特别是一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法。

技术介绍

[0002]随着工业技术的发展升级，具有低/近零热膨胀系数(CTE)的复合材料由于其独特的对环境不敏感特性，被广泛地应用于场景复杂的高精尖领域。例如在精密仪器、深空探测、半导体封装等科技领域皆需要低/近零CTE的复合材料的助力。然而，深入到微观层面，复合材料在长期经历不断变化的温度环境后，复合材料会因为纳米颗粒的团聚而导致两相界面产生强大的热应变。热应变的产生会造成复合材料生成微裂纹，这大大降低了复合材料的运行可靠性。因此，设计并制备出在纳米级别实现材料均质化的复合材料，并且在较宽的温度范围内实现低/近零CTE仍被认为是一个挑战。
[0003]由于钨酸锆在较宽温度区间内(
‑
273
‑
777℃)具有各向同性负热膨胀(α＝
‑
8.7
×
10
‑6/℃)的优越特性，基于此特性可作为合成具有近零热膨胀复合材料的负热膨胀相。以钨酸锆为复合材料的基体，掺杂入其他具有正热膨胀特性的单质或氧化物，即可合成具有低/接近零CTE的钨酸锆基复合材料，以应对复合材料的热膨胀效应。水热法制备钨酸锆的技术已经非常成熟，目前的水热法制备钨酸锆有长棒型和空心球型，但是在制备复合材料时都存在缺陷，即长棒状钨酸锆复合材料易导致增强相团聚以及空心球状钨酸锆复合材料易导致材料力学性能差。其中，氧化硅/钨酸锆复合材料由于界面兼容性较好、正负热膨胀相的CTE相差较小和优异的抗热震特性，因此逐渐成为合成低/近零CTE复合材料的研究热点。因此，结合长棒状和空心球状钨酸锆的合成特征，专利技术一种复合材料均质化的夹芯结构，避免复合材料受热应变影响而滋生裂纹的制备工艺具有重大的科学意义。
[0004]在《硅酸盐学报》2008：(36)：35
‑
39上孙秀娟等人已经介绍长棒状钨酸锆的水热法制备，在公开号为CN104495939A的中国专利申请中也公开了空心球状钨酸锆的合成工艺。本专利技术基于二者的合成经验，独创出了一种可以将增强相置于钨酸锆内部的夹心结构，基于此结构有望弥补前两者钨酸锆导致的复合材料缺陷。另外，在公开号为CN103849790A的中国专利技术专利申请中公开了一种原位生成均质纳米级陶瓷
‑
金属复合材料的制备工艺，该制备工艺采用传统的混料机对有机硅聚合物和金属粉进行了混料，再通过注射成型机得到了复合材料成型胚。但是，这种物理混料的方式很难保证有机硅均匀粘结在金属粒子表面。当金属粒子与有机硅的界面兼容性差时，有机硅就会发生团聚，从而不能实现纳米级别的均质化。因此，这种混料方式仍然不能完全解决复合材料纳米级别的均质化这一难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种可以有效提高复合材料均质化的粉体制备工艺。通过结合长棒状和空心球状纯钨酸锆粉体的水热法制备特征，本专利技术通过控制水热法中钨酸锆的晶体生长，成功制备出了氧化硅被包覆在钨酸锆内部的纳米夹芯结构复合粉体。该结构合
成利用水热自组装的技术，在钨酸锆前驱体的生长过程中，以钨酸钠和偏钨酸铵的比例变化控制着钨酸锆的形貌，以及通过氧化硅含量和蠕动泵的混料速度来控制氧化硅被包裹的数量，从而在最大程度实现了复合材料的均质化。相比于纯长棒状和空心球状钨酸锆，该工艺通过控制原料联合蠕动泵的填料方式，使得复合材料形成了特殊的夹芯结构。基于该粉体烧结出的复合材料可以大幅提升均质化程度，还能实现复合材料的近零膨胀，达到缓解热应变对复合材料滋生裂纹的效果。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、按照氧化硅与钨酸锆质量比为1:2～1:4的比例称取纳米氧化硅粉体，并配制成水溶液A；
[0009]步骤二、按照钨酸钠和偏钨酸铵的摩尔比为2:1～1:3的比例称取钨酸钠和偏钨酸铵粉体，并配置成含钨酸根的阴离子水溶液B；
[0010]步骤三、按照钨酸锆的化学计量比和溶液B中钨元素含量称取氧氯化锆，并配置成含锆的阳离子水溶液C；
[0011]步骤四、将溶液B和溶液C同时以5～20ml/min的速度滴加入处于搅拌状态的溶液A中，并在60～90℃下加热络合得到钨酸锆前驱体的络合物，即溶液D；
[0012]步骤五、将浓盐酸加入到溶液D内，直至溶液D的氢离子浓度达到0.1～2mol/L，并继续保温且超声振荡，得到复合粉体的前驱体悬浊液E；
[0013]步骤六、将步骤五制备的前驱体悬浊液E转移至反应釜中密封，在180～190℃环境下保温至少3.5h；
[0014]步骤七、反应釜冷却后，去除釜内上清液并收集沉淀，然后进行乙醇陈腐、过滤钠离子、氯离子和铵根离子、烘干，并在450～520℃下煅烧至少3h，得到纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体。
[0015]本专利技术原理：
[0016]本专利技术是利用水热自组装技术，在钨酸锆前驱体的生长过程中，通过控制钨酸钠和偏钨酸铵的摩尔比、氧化硅含量以及蠕动泵的混料速度，来控制钨酸锆晶体的形貌和二氧化硅被包覆的含量，从而得到了另类的夹芯结构。
[0017]本专利技术与现有技术相比具有如下优势：
[0018]本专利技术基于长棒状和空心球状钨酸锆单质的合成经验，独创出了一种可以将二氧化硅增强相置于钨酸锆内部的夹心结构，基于此结构有望弥补前两者钨酸锆单质导致的复合材料缺陷，即长棒状钨酸锆复合材料易导致增强相团聚以及空心球状钨酸锆复合材料易导致材料力学性能差。氧化硅包覆与钨酸锆中既避免了小颗粒的氧化硅团聚，还在不大幅度提升材料密度的情况下(二氧化硅的理论密度仅为2.2g/cm3)达到了提升材料强度的效果。另外，本专利技术制备的纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体可以从纳米尺度提升精细陶瓷复合材料的均质化，基于该粉体烧结出的复合材料可以大幅提升均质化程度，还能实现复合材料的近零膨胀，有效抑制纳米粒子团聚造成的复合材料热应变损伤，达到缓解热应变对复合材料滋生裂纹的效果。
附图说明
[0019]图1为实施例1制备出的纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的低分辨SEM照片；
[0020]图2为实施例1制备出的纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的高分辨SEM照片；
[0021]图3为实施例1制备出的纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的剖面图低分辨HAADF照片；
[0022]图4为实施例1制备出的纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的剖面图高分辨TEM照片。
具体实施方式
[0023]下面将结合附图和实施例，对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。下述实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、按照氧化硅与钨酸锆质量比为1:2～1:4的比例称取纳米氧化硅粉体，并配制成水溶液A；步骤二、按照钨酸钠和偏钨酸铵的摩尔比为2:1～1:3的比例称取钨酸钠和偏钨酸铵粉体，并配置成含钨酸根的阴离子水溶液B；步骤三、按照钨酸锆的化学计量比和溶液B中钨元素含量称取氧氯化锆，并配置成含锆的阳离子水溶液C；步骤四、将溶液B和溶液C同时以5～20ml/min的速度滴加入处于搅拌状态的溶液A中，并在60～90℃下加热络合得到钨酸锆前驱体的络合物，即溶液D；步骤五、将浓盐酸加入到溶液D内，直至溶液D的氢离子浓度达到0.1～2mol/L，并继续保温且超声振荡，得到复合粉体的前驱体悬浊液E；步骤六、将步骤五制备的前驱体悬浊液E转移至反应釜中密封，在180～190℃环境下保温至少3.5h；步骤七、反应釜冷却后，去除釜内上清液并收集沉淀，然后进行乙醇陈腐、过滤钠离子、氯离子和铵根离子、烘干，并在450～520℃下煅烧至少3h，得到纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体。2.根据权利要求1所述的纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述纳米氧化硅粉体的平均粒径要小于50nm。3.根据权利要求1所述的纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法，其特征在于：步骤三中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓飞，李金平，孟松鹤，易法军，解维华，许承海，方国东，杨强，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：