【采礦課件】實(shí)驗(yàn)三十二粉體的化學(xué)合成.doc

實(shí)驗(yàn)三十二 粉體的化學(xué)合成近代發(fā)展起來的特種礦物材料，如高性能的功能陶瓷和新型玻璃，要求原料有很高的純度和超細(xì)的粒度，因此，大多采用化工原料來人工合成粉體。由于其需要較高的投入，增加了粉體的成本，所以，只用于生產(chǎn)高性能的功能材料方面。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)要求使用氧氯化鋯(ZrOC128H2O)、氧化鎂為原料，用共沉淀法制備氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯固體電解質(zhì)超細(xì)粉末。二、實(shí)驗(yàn)原理純氧化鋯的燒結(jié)體晶型是不穩(wěn)定的，在升溫過程中， 1140 會(huì)發(fā)生單斜相四方相的轉(zhuǎn)變，同時(shí)產(chǎn)生7的體積收縮；在 1400 時(shí)發(fā)生四方相立方相的轉(zhuǎn)變；降溫時(shí)又會(huì)發(fā)生反方向的相變。如果在氧化鋯中摻人足夠的氧化釔、氧化鈣或氧化鎂，可以使氧化鋯在室溫時(shí)也能保持穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)，晶型不再隨溫度變化；稱為全穩(wěn)定的氧化鋯(FSZ)。同時(shí)，由于摻人的低價(jià)金屬離子(Ca2、Mg2十、Y3)進(jìn)人氧化鋯晶格后，產(chǎn)生了大量的氧離子空位，所以，氧化鋯在高溫( 550 ）時(shí)，允許氧離子通過氧離子空位遷移，形成氧離子導(dǎo)體。如果原料很純凈（特別是沒有變價(jià)的金屬離子雜質(zhì)），可以得到電子導(dǎo)電很低的氧離子導(dǎo)體，用于制作高溫傳感器（氣體中的氧傳感器）。為了制作測(cè)定鋼液中氧含量的傳感器，要求氧化鋯固體電解質(zhì)管狀元件（ 5mm 1mm 35mm ）具有很好的抗熱沖擊能力，在突然插人 1700 鋼液的情況下，不允許產(chǎn)生裂紋。這時(shí)，需要采用部分穩(wěn)定的氧化鋯材料。減少氧化鋯中穩(wěn)定劑的含量，可以得到部分穩(wěn)定的氧化鋯(PSZ)。常溫下，部分穩(wěn)定的氧化鋯燒結(jié)體中，三種晶型（單斜、四方和立方）混合存在，使升溫過程中元件的熱膨脹，可以被單斜相四方相轉(zhuǎn)變時(shí)的體積收縮所抵消（如果單斜相的比例合適時(shí)）；如果原料粉末很細(xì)小，燒結(jié)體中的晶粒也很細(xì)小，微小的單斜晶?？梢栽诘鸵恍┑臏囟龋?00 -1000 ）時(shí)提前、逐步地發(fā)生相轉(zhuǎn)變，大大地減緩了熱沖擊帶來的熱應(yīng)力；并且，微細(xì)的四方相晶粒（0.2 的四方相晶粒才能在室溫下存在有助于提高材料的韌性；另外，燒結(jié)后相變時(shí)產(chǎn)生的微裂紋，也有助于阻止裂紋擴(kuò)展的作用；燒結(jié)體晶粒很細(xì)小，使得元件強(qiáng)度得到了提高；這些因素都有利于提高元件的抗熱沖擊能力。為了控制三相比例，除了嚴(yán)格控制燒結(jié)、熱處理制度外，還必須準(zhǔn)確地控制氧化鋯中穩(wěn)定劑(MgO)的含量；另外，要求粉末粒度很細(xì)?。徊⑶也辉试S帶人雜質(zhì)，因此，我們采用共沉淀法制備氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯(MgO-PSZ)超細(xì)粉末。氧氯化鋯(ZrOC128H2O)不溶于酸和堿。所以，可以用酸來提純（除去鐵離子等雜質(zhì)）。提純后，將氧氯化鋯溶于水，過濾，除去灰塵、氧化硅等雜質(zhì)；按需要的成分配人氧化鎂，形成鋯、鎂的混合鹽溶液。加人過量的氨水，形成氫氧化鋯和氫氧化鎂均勻混合的細(xì)小顆粒沉淀物。ZrCl+NH4OHZr(OH)4+NH4ClMgCl2NH4OHMg(OH)2NH4Cl因?yàn)闅溲趸V比較容易溶于水，因此，必須保持較高的堿性(pH10),不使氫氧化鎂流失。過濾后，用pH10的氨水淋洗沉淀物，除去多余的氯化銨；沉淀物中加人分散劑（高分子溶劑如：正丁醇、聚乙二醇等）；避免在熱分解時(shí)粉體結(jié)團(tuán)。沉淀物烘干后，在加熱分解過程中，低溫時(shí)首先脫水，然后是剩余的氯化銨分解，最后是鋯、鎂氧化物的生成：NH4ClNH3HClZr(OH)4ZrO22H2OMg(OH)2MgO+H2O氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化錯(cuò)超細(xì)粉體的制備過程如下：稱取原料；加水溶解；過濾固體雜質(zhì)；加人穩(wěn)定劑氧化鎂；加人氨水共沉淀；沉淀物水洗(pH10)；加人分散劑；干燥；熱分解。整個(gè)工藝流程很長(zhǎng)。其中后三部分操作本實(shí)驗(yàn)不做。三、實(shí)驗(yàn)步驟1取 500g 氯氧化鋯，置于1000mL的容器中；加人360mL蒸餾水，攪拌，使之溶清。2抽濾，除去固體雜質(zhì)：(1)洗凈布氏漏斗和抽濾用的錐形瓶、：墊好濕濾紙；緩慢倒人溶清的氯氧化鋯溶液，用水流泵抽濾，抽干后，用少許蒸餾水（約20mL）淋洗布氏漏斗。(2)為得到含氧化鎂質(zhì)量比為2.2的氧化鋯，計(jì)算需加人氧化鎂的重量；按 500g 氯氧化鋯中含有的氧化鋯的重量（按分子量計(jì)算，也可以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定單位體積溶液中的氧化鋯含量，按溶液的濃度和體積來計(jì)算）。3加人氧化鎂，攪拌，溶清。4共沉淀：(1)緩慢加人300mL氨水，同時(shí)不停地?cái)嚢瑁皇钩恋斫Y(jié)團(tuán)，可補(bǔ)加到400rnL氨水，直到沉淀完全，并將被沉淀包裹的水放出，可將攪拌澄清的清液取出少量，在清液中加人氨水后，不再產(chǎn)生沉淀，表明沉淀完全。(2)在布氏漏斗中再墊濾布和濾紙，將沉淀物倒人布氏漏斗內(nèi)，接通水流泵，抽濾；濾干后，用氨水溶液（1：15）淋洗三次，每次50mLo(3)為進(jìn)一步除去氯化銨，將濾餅倒在2000mL容器中，加人300mL氮水溶液浸泡，攪拌澄清后，倒掉清液，再次抽濾除水。5化學(xué)分析，測(cè)定沉淀物中鎂的含量。計(jì)算相應(yīng)的氧化鋯中氧化鎂的含量。6干燥：(1)將濾餅中加人分散劑，攪勻；(2)蒸餾，干燥沉淀物、回收分散劑；7熱分解：(1)將干燥的沉淀物盛在氧化鋁坩堝中，放在馬弗爐內(nèi)；升溫至 480 ，保溫1h，將剩余的氯化銨分解、排除。再升溫至 600 ，保溫1h,使氫氧化物分解完全；(2)冷卻后，得到氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯超細(xì)粉末。稱重，計(jì)算氧化鋯的收得率。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求