【采矿课件】实验三十二粉体的化学合成

实验三十二粉体的化学合成近代发展起来的特种矿物材料，如高性能的功能陶瓷和新型玻璃，要求原料有很高的纯度和超细的粒度，因此，大多采用化工原料来人工合成粉体。由于其需要较高的投入，增加了粉体的成本，所以，只用于生产高性能的功能材料方面。一、实验目的本实验要求使用氧氯化锆(ZrOC12·8H2O)、氧化镁为原料，用共沉淀法制备氧化镁部分稳定的氧化锆固体电解质超细粉末。二、实验原理纯氧化锆的烧结体晶型是不稳定的，在升温过程中，1140℃会发生单斜相～四方相的转变，同时产生7％的体积收缩；在1400℃时发生四方相~立方相的转变；降温时又会发生反方向的相变。如果在氧化锆中掺人足够的氧化钇、氧化钙或氧化镁，可以使氧化锆在室温时也能保持稳定的立方相结构，晶型不再随温度变化；称为全稳定的氧化锆(FSZ)。同时，由于掺人的低价金属离子(Ca2、Mg2十、Y3＋)进人氧化锆晶格后，产生了大量的氧离子空位，所以，氧化锆在高温(550℃）时，允许氧离子通过氧离子空位迁移，形成氧离子导体。如果原料很纯净（特别是没有变价的金属离子杂质），可以得到电子导电很低的氧离子导体，用于制作高温传感器（气体中的氧传感器）。为了制作测定钢液中氧含量的传感器，要求氧化锆固体电解质管状元件（Φ5mm×1mm×35mm）具有很好的抗热冲击能力，在突然插人1700℃钢液的情况下，不允许产生裂纹。这时，需要采用部分稳定的氧化锆材料。减少氧化锆中稳定剂的含量，可以得到部分稳定的氧化锆(PSZ)。常温下，部分稳定的氧化锆烧结体中，三种晶型（单斜、四方和立方）混合存在，使升温过程中元件的热膨胀，可以被单斜相～四方相转变时的体积收缩所抵消（如果单斜相的比例合适时）；如果原料粉末很细小，烧结体中的晶粒也很细小，微小的单斜晶粒可以在低一些的温度（600-1000℃）时提前、逐步地发生相转变，大大地减缓了热冲击带来的热应力；并且，微细的四方相晶粒（＜0.2的四方相晶粒才能在室温下存在＝有助于提高材料的韧性；另外，烧结后相变时产生的微裂纹，也有助于阻止裂纹扩展的作用；烧结体晶粒很细小，使得元件强度得到了提高；这些因素都有利于提高元件的抗热冲击能力。为了控制三相比例，除了严格控制烧结、热处理制度外，还必须准确地控制氧化锆中稳定剂(MgO)的含量；另外，要求粉末粒度很细小；并且不允许带人杂质，因此，我们采用共沉淀法制备氧化镁部分稳定的氧化锆(MgO-PSZ)超细粉末。氧氯化锆(ZrOC12·8H2O)不溶于酸和碱。所以，可以用酸来提纯（除去铁离子等杂质）。提纯后，将氧氯化锆溶于水，过滤，除去灰尘、氧化硅等杂质；按需要的成分配人氧化镁，形成锆、镁的混合盐溶液。加人过量的氨水，形成氢氧化锆和氢氧化镁均匀混合的细小颗粒沉淀物。ZrCl+NH4OH→Zr(OH)4↓+NH4ClMgCl2＋NH4OH→Mg(OH)2↓＋NH4Cl因为氢氧化镁比较容易溶于水，因此，必须保持较高的碱性(pH10),不使氢氧化镁流失。过滤后，用pH10的氨水淋洗沉淀物，除去多余的氯化铵；沉淀物中加人分散剂（高分子溶剂如：正丁醇、聚乙二醇等）；避免在热分解时粉体结团。沉淀物烘干后，在加热分解过程中，低温时首先脱水，然后是剩余的氯化铵分解，最后是锆、镁氧化物的生成：NH4Cl→NH3↑＋HCl↑Zr(OH)4→ZrO2＋2H2O↑Mg(OH)2→MgO+H2O↑氧化镁部分稳定的氧化错超细粉体的制备过程如下：①称取原料；②加水溶解；③过滤固体杂质；④加人稳定剂氧化镁；⑤加人氨水共沉淀；⑥沉淀物水洗(pH10)；⑦加人分散剂；⑧干燥；⑨热分解。整个工艺流程很长。其中后三部分操作本实验不做。三、实验步骤1．取500g氯氧化锆，置于1000mL的容器中；加人360mL蒸馏水，搅拌，使之溶清。2．抽滤，除去固体杂质：(1)洗净布氏漏斗和抽滤用的锥形瓶、：垫好湿滤纸；缓慢倒人溶清的氯氧化锆溶液，用水流泵抽滤，抽干后，用少许蒸馏水（约20mL）淋洗布氏漏斗。(2)为得到含氧化镁质量比为2.2％的氧化锆，计算需加人氧化镁的重量；按500g氯氧化锆中含有的氧化锆的重量（按分子量计算，也可以用实验的方法测定单位体积溶液中的氧化锆含量，按溶液的浓度和体积来计算）。3．加人氧化镁，搅拌，溶清。4．共沉淀：(1)缓慢加人300mL氨水，同时不停地搅拌，不使沉淀结团，可补加到400rnL氨水，直到沉淀完全，并将被沉淀包裹的水放出，可将搅拌澄清的清液取出少量，在清液中加人氨水后，不再产生沉淀，表明沉淀完全。(2)在布氏漏斗中再垫滤布和滤纸，将沉淀物倒人布氏漏斗内，接通水流泵，抽滤；滤干后，用氨水溶液（1：15）淋洗三次，每次50mLo(3)为进一步除去氯化铵，将滤饼倒在2000mL容器中，加人300mL氮水溶液浸泡，搅拌澄清后，倒掉清液，再次抽滤除水。5．化学分析，测定沉淀物中镁的含量。计算相应的氧化锆中氧化镁的含量。6．干燥：(1)将滤饼中加人分散剂，搅匀；(2)蒸馏，干燥沉淀物、回收分散剂；7．热分解：(1)将干燥的沉淀物盛在氧化铝坩埚中，放在马弗炉内；升温至480℃，保温1h，将剩余的氯化铵分解、排除。再升温至600℃，保温1h,使氢氧化物分解完全；(2)冷却后，得到氧化镁部分稳定的氧化锆超细粉末。称重，计算氧化锆的收得率。四、实验报告要求1．实验目的、实验原理、实验操作步骤；2．加人氧化镁量的计算过程；氧化镁收得率，氧化锆收得率；3．实验时观察到的现象，本人的体会及对实验改进的意见。5．思考题1．用何方法制备陶瓷细粉和超细粉末？2．制备超细粉体对材料性能有何影响？