CaOMgO掺杂ZrO2超细粉的制备
目 录
1 绪论 1
1.1 二氧化锆 1
1.2 共沉淀法 4
1.3 本论文研究目的及主要内容 6
2 实验部分 6
2.1 实验仪器和试剂的选择 6
2.2 二氧化锆粉体的制备 7
2.3 实验结果检测 8
3 实验讨论与分析 10
3.1 ZrO2的XRD分析 10
3.2 FESEM（场发射扫描电子显微镜）分析 17
结论 20
致谢 21
参考文献 221 绪论
1.1 二氧化锆
二氧化锆材料具有很多优良性能，如高硬度、高强度、高韧性、极高的耐磨性等，尤其是其优良的常温力学性能及耐高温、耐腐蚀性能在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、航空航天、生物、化学等各领域都能起到极其重要的作用。而加入一些稳定剂可使室温不稳定的氧化锆相转变为稳态或亚稳态，使其具有更加优秀的性能，如优异的耐热、耐腐蚀性、陶瓷增韧等特点。而且锆形成的复合氧化物具有许多优越的性能另外，要获得高性能陶瓷必须以高纯、均匀、超细的活性粉体为原料。因此，氧化锆基超细粉的制备是决定氧化锆基复合材料性能优势的关键[1]。
1.1.1 二氧化锆的性质
1.1.1.1 二氧化锆的物理性质
二氧化锆，是锆的主要氧化物，白色，无臭无味，难溶于水、盐酸和稀硫酸。二氧化锆在加热条件下能够发出强烈的白光，可将其用作灯丝和汽油灯的网罩的原材料。熔融后的二氧化锆硬度高，热膨胀系数小，因为其具有的特性，制作的搪瓷不会因温度骤变而破裂。二氧化锆还可作为耐火器皿、高温坩埚和炉衬的原材料。将锆氧化物掺杂镁可用于制造高温玻璃。
其 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
分子结构随温度压力等外界环境不同会发生改变，通常在低温时为单斜晶系，1100℃以上为四方晶型，1900℃以上时形成立方晶型。
1.1.1.2 二氧化锆的化学性质
二氧化锆熔点约 2700℃，沸点约4300℃，密度5.89g/cm3。
二氧化锆的一般制作工艺是用含锆的水合物或者具有挥发性的锆盐加热灼烧后，得到白色粉末状的二氧化锆，其一般不溶于水。
氧化锆，水解后得到二氧化锆。二氧化锆在加热条件下能够发出强烈的白光，可将其用作灯丝和汽油灯的网罩的原材料。熔融后的二氧化锆硬度高，热膨胀系数小，因为其具有的特性，制作的搪瓷不会因温度骤变而破裂。二氧化锆还可作为耐火器皿、二氧化锆是种两性氧化物，不仅能与酸发生反应，也同样能与碱发生反应形成碱性锆酸盐。二氧化锆能与碳和氯气高温反应，或者与四氯化碳反应，生成四氯化锆及二氯氧化锆，而经水解后又得到二氧化锆[2,3]。
1.1.2 二氧化锆的结构特性
常压下氧化锆分为三种晶型，即低温的单斜晶系，密度约为5.65g/cm3，高温的四方晶系，密度为6.10g/cm3，更高温度的立方晶系，密度在6.27g/cm3左右。三种晶型的温度一个高于一个，由单斜晶系的二氧化锆加热升温可逐步变为四方晶系，继续加热则转化为立方晶系，直至加热至熔点，成为熔融状态。
自然界中自身存在的ZrO2和经由化学法制备的ZrO2都属于单斜晶系[3]。单斜晶型向四方晶型转化时需要进行加热升温，一般情况下遵循热胀冷缩原理，转变后四方晶型二氧化锆体积会膨胀，然而由前文可知，四方晶系的二氧化锆密度大于单斜晶系的二氧化锆，所以，转化后的四方晶系的二氧化锆体积会缩小，而反过来冷却时，由四方晶系的ZrO2 转变为单斜晶系的ZrO2时，体积会增大。但这种体积的变化温度却是随转化方向不同而不同，并不是发生在同一温度。晶型转变时易引起体积膨胀或骤缩，从而导致晶体龟裂，因此现实中氧化锆陶瓷生产工艺较难，而通过实验证明加入适量的晶型稳定剂如MgO、CaO、Y2O3等或其他稀土氧化物（通常稳定剂Y2O3、CaO、MgO、CeO2的有效加入量(摩尔分数)分别为7% ~ 14%， 15% ~ 29% ，16% ~ 26%，> 26%）。
随着不同的加工要求以及应用条件，为了得到稳定的ZrO2产品，稳定剂既可以单独使用， 也可以混合使用，从而使二氧化锆相变温度降低到室温以下，使得原本必须在高温条件下才能完成的氧化锆晶型之间的转变在室温也能正常进行并形成稳定的的四方晶型或立方晶型氧化锆。伴随着以稳定氧化物作为的稳定剂的逐量加入，会是氧化锆的晶型发生转变，其吸收的能量也会随着相变过程形状和体积的变化而变化，从而达到防止裂纹扩展，降低裂纹尖端的应力集中的作用，从而提高陶瓷材料的性能，达到氧化锆相变增韧的目的。
1.3.3 二氧化锆的特征
二氧化锆是锆的主要氧化物，外观为白色无定形重质粉末或多孔聚体，无臭无味，难溶于水、盐酸和稀硫酸，一般常含有少量的二氧化铅。
自然界中以少见的斜锆石存在，为单斜晶系结构，自然界以等轴钙锆铁矿((Zr，Ti，Ca)O2)少量存在，但多为人工合成。二氧化锆一共有三种晶型，分别为单斜系、四方相系和立方相系，这三者之间的转变温度与很多因素有关，包括杂质，外界因素等。一般来说，常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，加热到1900℃温度会转化为立方相。但是添加稳定剂以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变，从而大大减少了氧化锆基陶瓷在受热受压下发生开裂的情况，大大拓展了氧化锆的应用范围[4-6]。
1.1.4 氧化锆增韧陶瓷的种类和特点
氧化锆相变增韧陶瓷的研究和应用得到迅速发展，主要有三种类型分别为部分稳定的氧化锆增韧陶瓷，四方多晶石氧化锆增韧陶瓷以及弥散氧化锆增韧陶瓷。
1.1.4.1 部分稳定的氧化锆增韧陶瓷
当ZrO2中稳定剂加入量在某一范围时，高温稳定的c- ZrO2通过适当温度下的时效处理使c- ZrO2大晶粒中析出许多细小纺锤状的t- ZrO2晶粒，形成c相和t相组成的双相组织结构。其中c相是稳定的，而t相是亚稳定的并一直保存到室温。这种陶瓷称之为部分稳定的氧化锆增韧陶瓷(PSZ)，当稳定剂为CaO、MgO、Y2O3时，分别表示为Ca-PSZ、Mg-PSZ、Y-PSZ等。
1.1.4.2 四方多晶石氧化锆增韧陶瓷
当ZrO2中的稳定剂加入量被控制在一定的量左右时， t-ZrO2可以以亚稳状态稳定保存在室温，那么块体氧化锆陶瓷的组织结构是亚稳的t-ZrO2细晶组成的四方氧化锆多晶体，称之为四方多晶氧化锆增韧陶瓷(TZP)，当加入的稳定剂是Y2O3、Ce02，则分别表示为Y-TZP、Ce-TZP等。
1.1.4.3 弥散氧化锆增韧陶瓷
如果在不同陶瓷基体中加入一定量的ZrO2并使亚稳四方氧化锆多晶体均匀的弥散分布在陶瓷基体中，利用氧化锆相变增韧机制使陶瓷的韧性得到明显的改善。这种氧化锆相变增韧陶瓷称为弥散氧化错增韧陶瓷(ZTC)。如果陶瓷基体是A12O3、莫来石(Mullite)等，分别表示为ZTA、ZTM等[7]。
1.1.5 二氧化锆的应用
随着电子和新材料工业的发展，ZrO2作为耐火材料的主要应用已经成为过去，而在电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等方面的应用迅速发展，这些特种陶瓷材料是电子、航天、航空和核工业的基础材料，在高新技术领域中的应用异常活跃。其应用范围也是极其广阔，如结构陶瓷领域，电子陶瓷领域，功能陶瓷领域，耐火材料方面，玻璃方面等，都得到了极其好的反响[8]。
1 绪论 1
1.1 二氧化锆 1
1.2 共沉淀法 4
1.3 本论文研究目的及主要内容 6
2 实验部分 6
2.1 实验仪器和试剂的选择 6
2.2 二氧化锆粉体的制备 7
2.3 实验结果检测 8
3 实验讨论与分析 10
3.1 ZrO2的XRD分析 10
3.2 FESEM（场发射扫描电子显微镜）分析 17
结论 20
致谢 21
参考文献 221 绪论
1.1 二氧化锆
二氧化锆材料具有很多优良性能，如高硬度、高强度、高韧性、极高的耐磨性等，尤其是其优良的常温力学性能及耐高温、耐腐蚀性能在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、航空航天、生物、化学等各领域都能起到极其重要的作用。而加入一些稳定剂可使室温不稳定的氧化锆相转变为稳态或亚稳态，使其具有更加优秀的性能，如优异的耐热、耐腐蚀性、陶瓷增韧等特点。而且锆形成的复合氧化物具有许多优越的性能另外，要获得高性能陶瓷必须以高纯、均匀、超细的活性粉体为原料。因此，氧化锆基超细粉的制备是决定氧化锆基复合材料性能优势的关键[1]。
1.1.1 二氧化锆的性质
1.1.1.1 二氧化锆的物理性质
二氧化锆，是锆的主要氧化物，白色，无臭无味，难溶于水、盐酸和稀硫酸。二氧化锆在加热条件下能够发出强烈的白光，可将其用作灯丝和汽油灯的网罩的原材料。熔融后的二氧化锆硬度高，热膨胀系数小，因为其具有的特性，制作的搪瓷不会因温度骤变而破裂。二氧化锆还可作为耐火器皿、高温坩埚和炉衬的原材料。将锆氧化物掺杂镁可用于制造高温玻璃。
其 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
分子结构随温度压力等外界环境不同会发生改变，通常在低温时为单斜晶系，1100℃以上为四方晶型，1900℃以上时形成立方晶型。
1.1.1.2 二氧化锆的化学性质
二氧化锆熔点约 2700℃，沸点约4300℃，密度5.89g/cm3。
二氧化锆的一般制作工艺是用含锆的水合物或者具有挥发性的锆盐加热灼烧后，得到白色粉末状的二氧化锆，其一般不溶于水。
氧化锆，水解后得到二氧化锆。二氧化锆在加热条件下能够发出强烈的白光，可将其用作灯丝和汽油灯的网罩的原材料。熔融后的二氧化锆硬度高，热膨胀系数小，因为其具有的特性，制作的搪瓷不会因温度骤变而破裂。二氧化锆还可作为耐火器皿、二氧化锆是种两性氧化物，不仅能与酸发生反应，也同样能与碱发生反应形成碱性锆酸盐。二氧化锆能与碳和氯气高温反应，或者与四氯化碳反应，生成四氯化锆及二氯氧化锆，而经水解后又得到二氧化锆[2,3]。
1.1.2 二氧化锆的结构特性
常压下氧化锆分为三种晶型，即低温的单斜晶系，密度约为5.65g/cm3，高温的四方晶系，密度为6.10g/cm3，更高温度的立方晶系，密度在6.27g/cm3左右。三种晶型的温度一个高于一个，由单斜晶系的二氧化锆加热升温可逐步变为四方晶系，继续加热则转化为立方晶系，直至加热至熔点，成为熔融状态。
自然界中自身存在的ZrO2和经由化学法制备的ZrO2都属于单斜晶系[3]。单斜晶型向四方晶型转化时需要进行加热升温，一般情况下遵循热胀冷缩原理，转变后四方晶型二氧化锆体积会膨胀，然而由前文可知，四方晶系的二氧化锆密度大于单斜晶系的二氧化锆，所以，转化后的四方晶系的二氧化锆体积会缩小，而反过来冷却时，由四方晶系的ZrO2 转变为单斜晶系的ZrO2时，体积会增大。但这种体积的变化温度却是随转化方向不同而不同，并不是发生在同一温度。晶型转变时易引起体积膨胀或骤缩，从而导致晶体龟裂，因此现实中氧化锆陶瓷生产工艺较难，而通过实验证明加入适量的晶型稳定剂如MgO、CaO、Y2O3等或其他稀土氧化物（通常稳定剂Y2O3、CaO、MgO、CeO2的有效加入量(摩尔分数)分别为7% ~ 14%， 15% ~ 29% ，16% ~ 26%，> 26%）。
随着不同的加工要求以及应用条件，为了得到稳定的ZrO2产品，稳定剂既可以单独使用， 也可以混合使用，从而使二氧化锆相变温度降低到室温以下，使得原本必须在高温条件下才能完成的氧化锆晶型之间的转变在室温也能正常进行并形成稳定的的四方晶型或立方晶型氧化锆。伴随着以稳定氧化物作为的稳定剂的逐量加入，会是氧化锆的晶型发生转变，其吸收的能量也会随着相变过程形状和体积的变化而变化，从而达到防止裂纹扩展，降低裂纹尖端的应力集中的作用，从而提高陶瓷材料的性能，达到氧化锆相变增韧的目的。
1.3.3 二氧化锆的特征
二氧化锆是锆的主要氧化物，外观为白色无定形重质粉末或多孔聚体，无臭无味，难溶于水、盐酸和稀硫酸，一般常含有少量的二氧化铅。
自然界中以少见的斜锆石存在，为单斜晶系结构，自然界以等轴钙锆铁矿((Zr，Ti，Ca)O2)少量存在，但多为人工合成。二氧化锆一共有三种晶型，分别为单斜系、四方相系和立方相系，这三者之间的转变温度与很多因素有关，包括杂质，外界因素等。一般来说，常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，加热到1900℃温度会转化为立方相。但是添加稳定剂以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变，从而大大减少了氧化锆基陶瓷在受热受压下发生开裂的情况，大大拓展了氧化锆的应用范围[4-6]。
1.1.4 氧化锆增韧陶瓷的种类和特点
氧化锆相变增韧陶瓷的研究和应用得到迅速发展，主要有三种类型分别为部分稳定的氧化锆增韧陶瓷，四方多晶石氧化锆增韧陶瓷以及弥散氧化锆增韧陶瓷。
1.1.4.1 部分稳定的氧化锆增韧陶瓷
当ZrO2中稳定剂加入量在某一范围时，高温稳定的c- ZrO2通过适当温度下的时效处理使c- ZrO2大晶粒中析出许多细小纺锤状的t- ZrO2晶粒，形成c相和t相组成的双相组织结构。其中c相是稳定的，而t相是亚稳定的并一直保存到室温。这种陶瓷称之为部分稳定的氧化锆增韧陶瓷(PSZ)，当稳定剂为CaO、MgO、Y2O3时，分别表示为Ca-PSZ、Mg-PSZ、Y-PSZ等。
1.1.4.2 四方多晶石氧化锆增韧陶瓷
当ZrO2中的稳定剂加入量被控制在一定的量左右时， t-ZrO2可以以亚稳状态稳定保存在室温，那么块体氧化锆陶瓷的组织结构是亚稳的t-ZrO2细晶组成的四方氧化锆多晶体，称之为四方多晶氧化锆增韧陶瓷(TZP)，当加入的稳定剂是Y2O3、Ce02，则分别表示为Y-TZP、Ce-TZP等。
1.1.4.3 弥散氧化锆增韧陶瓷
如果在不同陶瓷基体中加入一定量的ZrO2并使亚稳四方氧化锆多晶体均匀的弥散分布在陶瓷基体中，利用氧化锆相变增韧机制使陶瓷的韧性得到明显的改善。这种氧化锆相变增韧陶瓷称为弥散氧化错增韧陶瓷(ZTC)。如果陶瓷基体是A12O3、莫来石(Mullite)等，分别表示为ZTA、ZTM等[7]。
1.1.5 二氧化锆的应用
随着电子和新材料工业的发展，ZrO2作为耐火材料的主要应用已经成为过去，而在电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等方面的应用迅速发展，这些特种陶瓷材料是电子、航天、航空和核工业的基础材料，在高新技术领域中的应用异常活跃。其应用范围也是极其广阔，如结构陶瓷领域，电子陶瓷领域，功能陶瓷领域，耐火材料方面，玻璃方面等，都得到了极其好的反响[8]。
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