【采礦課件】實驗三十二粉體的化學合成.doc

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?zāi)康?本實驗要求使用氧氯化鋯（ZrOCI 2 8H2O）、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，1140C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 C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

2、氧化釔、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）。 22 十3 + 同時，由于摻人的低價金屬離子（Ca2、Mg2、Y3）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 C ）時，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 X1mm X35mm ）具有很好的抗熱沖擊能力，在突然插人1700C鋼液的

3、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?？?以在低一些的溫度（600 -1000 C ）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(yīng)力；并且，微細的四方相晶粒（V02，.;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

4、裂紋擴展的作用；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(ZrOCI 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。

5、 ZrCl+NH 4OH Zr(OH) 4 J +NHCI MgCl2+ NHqOH Mg(OH) 2 J+ NH4CI 因為氫氧化鎂比較容易溶于水，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： NH4CI t NH3T+ HCI f Zr(OH) 4 ZrO2+ 2出0匸 Mg(OH) 2tMgO+H2Of 氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化錯超細

6、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

7、量 (按分子量計算， 也可以用實驗的方法測定單位體 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(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480C，保溫1h, 將剩余的氯化銨分解、排除。再升溫至600C，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 率。 四、實