【采礦課件】實驗三十二粉體的化學合成

1、實驗三十二粉體的化學合成近代發(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、實驗目的本實驗要求使用氧氯化鋯 (ZrOC1 2·8H 2O)、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)超細粉末。二、實驗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 會發(fā)生單斜相四方相的轉(zhuǎn)變， 同時產(chǎn)生 7的體積收縮； 在 1400 時發(fā)生四方相立方相的轉(zhuǎn)變；降溫時又會發(fā)生反方向的相變。如果在氧化鋯中摻人足夠的氧化

2、釔、氧化鈣或氧化鎂，可以使氧化鋯在室溫時也能保持穩(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，由于摻人的低價金屬離子22 十、 Y3(Ca 、 Mg) 進人氧化鋯晶格后，產(chǎn)生了大量的氧離子空位，所以，氧化鋯在高溫(>550 ）時，允許氧離子通過氧離子空位遷移， 形成氧離子導體。 如果原料很純凈 （特別是沒有變價的金屬離子雜質(zhì)），可以得到電子導電很低的氧離子導體，用于制作高溫傳感器 （氣體中的氧傳感器） 。為了制作測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 1

3、700 鋼液的情況下，不允許產(chǎn)生裂紋。這時，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)變時的體積收縮所抵消（如果單斜相的比例合適時）；如果原料粉末很細小，燒結(jié)體中的晶粒也很細小，微小的單斜晶粒可以在低一些的溫度（600 -1000 ）時提前、逐步地發(fā)生相轉(zhuǎn)變，大大地減緩了熱沖擊帶來的熱應力；并且，微細的四方相晶粒（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)后相變時產(chǎn)生的微裂紋，也有助于阻止裂紋擴展的作用

4、；燒結(jié)體晶粒很細小，使得元件強度得到了提高；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， 除了嚴格控制燒結(jié)、 熱處理制度外， 還必須準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??；并且不允許帶人雜質(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) 超細粉末。氧氯化鋯 (ZrOC1 2·8H2O)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小顆粒沉淀物。ZrCl+

5、NH 4OH Zr(OH) 4 +NH4ClMgCl 2 NH 4OH Mg(OH)2 NH 4Cl因為氫氧化鎂比較容易溶于水，因此，必須保持較高的堿性(pH>10), 不使氫氧化鎂流失。過濾后，用pH>10 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）；避免在熱分解時粉體結(jié)團。沉淀物烘干后，在加熱分解過程中，低溫時首先脫水，然后是剩余的氯化銨分解，最后是鋯、鎂氧化物的生成：NH 4Cl NH3 HCl Zr(OH) 4 ZrO2 2H2OMg(OH) 2 MgO+H 2O氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化錯超細粉體的制備過程如下：稱取原料； 加水溶

6、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 (pH>10) ；加人分散劑；干燥；熱分解。整個工藝流程很長。其中后三部分操作本實驗不做。三、實驗步驟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 （按分子量計算， 也可以用實驗的方法測定單位體

7、積溶液中的氧化鋯含量，按溶液的濃度和體積來計算）。3加人氧化鎂，攪拌，溶清。4共沉淀：(1)緩慢加人 300mL 氨水，同時不停地攪拌，不使沉淀結(jié)團，可補加到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化學分析，測定沉淀物中鎂的含量。計算相應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)定的氧化鋯超細粉末。稱重，計算氧化鋯的收得