氧化鋅鋁包覆硼酸釤粉體的制備及性能表征＊

李永梅,沈曉冬,崔 升,伊希斌

(南京工業大學材料科學與工程學院材料化學工程國家重點實驗室,江蘇南京 210009)

氧化鋅鋁包覆硼酸釤粉體的制備及性能表征＊

李永梅,沈曉冬,崔 升,伊希斌

(南京工業大學材料科學與工程學院材料化學工程國家重點實驗室,江蘇南京 210009)

為了獲得具有較低紅外發射率和激光反射率的復合材料,通過將氧化鋅鋁復合于硼酸釤表面的方法,獲得了復合效果較好、紅外發射率和激光反射率都相對較低的氧化鋅鋁/硼酸釤納米復合粒子。用共沉淀法制備了氧化鋅鋁包覆硼酸釤納米復合粉體,從包覆前后的電鏡照片可以看到包覆層的厚度約為 250 nm。并且研究了包覆過程中m(硼酸釤)∶m(氧化鋅)、處理硼酸釤所用鹽酸的濃度和包覆前驅體的煅燒溫度等因素對紅外發射率和激光反射率的影響。結果表明,m(硼酸釤)∶m(氧化鋅)為1.5∶1、鹽酸濃度為 0.4 mol/L、煅燒溫度為 650℃時紅外發射率和激光反射率最低,最低的紅外發射率為 0.70、最低的激光反射率為 0.73%。

氧化鋅鋁;SmBO3;紅外發射率;激光反射率

紅外隱身與激光隱身兼容是軍事目標隱身領域的戰略、戰術與戰斗的需要,亦是隱身研究在深度與廣度上的深入與拓展。目前激光隱身主要是指波長為 0.93,1.06,1.54,10.6μm等激光的隱身,即在近紅外到中紅外區,其中 1.06μm是激光器主要工作波長,也是激光隱身的重點。紅外隱身指的是熱紅外隱身 (3～5μm和 8～14μm)[1]。根據平衡態輻射原理,激光隱身材料所要求的低反射率,要導致高的紅外發射率,不利于紅外隱身,由于紅外探測和激光測距等對軍用武器目標物的威脅很大,故兩者協調很重要。近年來有很多關于包覆粉體的研究[2-3],當包覆物溶膠帶有與被包覆固體表面相反的電荷時,庫侖引力可使包覆物顆粒吸附到被包覆固體表面[4]。已經有很多關于氧化鋅鋁 (ZAO)紅外隱身性能的研究[5-6]。由于 ZAO粉體對激光具有透明性,不會影響到 SmBO3的激光隱身性能[7-8],筆者把具有紅外隱身性能的 ZAO包覆于有激光隱身性能的 SmBO3外面,以達到紅外和激光兼容的隱身效果。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

氧化釤 (Sm2O3,純度 99.99%);硼酸、檸檬酸、硝酸、硝酸鋅、硝酸鋁、尿素、鹽酸,均為分析純。

恒溫水浴鍋 (HH-1),懸臂式攪拌機 (RW20.n),電熱鼓風干燥箱 (GZX-9140MBE),快速升溫箱式電阻爐 (KSX3-10),離心機 (TGL-20B),德國耐馳公司的熱重差熱分析儀(NETZSCH STA449C),美國熱電公司的 X射線衍射儀 (ModelX′TRAX),日本島津公司的紫外分光光度計 (UV-3101PC),上海福源光電技術有限公司的材料發射率測量儀(HFY-10),日本電子公司的掃描電鏡 (JS M-5900)。

1.2 實驗過程

將 0.05 mol的 Zn(NO3)2·6H2O、0.002 5 mol的 Al(NO3)3·9H2O和 0.2 mol的 CO(NH2)2溶于600 mL蒸餾水中,然后加入 HCl處理過的 SmBO3,在 100℃水浴中恒溫 4 h,待冷卻到室溫后離心洗滌,然后在 80℃干燥,一定溫度下煅燒后得到 ZAO包覆 SmBO3粉體。

2 實驗結果及討論

2.1 ZAO/SmBO3的 X射線衍射分析

ZAO/SmBO3和 ZAO在 650℃煅燒后粉末的相組成分析采用 X射線衍射儀,在 2θ=5～75°范圍內以 6(°)/min的速度連續掃描。樣品的衍射譜圖如圖 1所示。由圖 1可知,ZAO衍射譜圖和純 ZnO基本一致,只是其峰位向高角度偏移。這表明在制備ZAO粉體過程中摻雜的鋁元素進入到了 ZnO晶格的內部,取代 Zn2+的位置形成了氧空位和間隙原子,形成了 Al/ZnO固溶體,即所得到的為 ZAO粉體。由圖 1還可看出,ZAO/SmBO3的 XRD譜圖中既有 ZAO的衍射峰也有 SmBO3的衍射峰,復合粉體衍射譜圖中 SmBO3的衍射峰與純的 SmBO3衍射峰相比,衍射峰的位置向高角度發生偏移。包覆粉體中 ZAO衍射峰位置和純 ZAO衍射峰位置相同,但峰高變小,半高寬增加,表現出明顯的納米材料的特征。這可以從兩個方面進行分析:一方面異相成核過程使 ZAO在 SmBO3粉體表面成核,不利于晶體的生長,從而導致 ZAO的結晶度變差,晶粒度減小,衍射峰寬化。另一方面,ZAO和 SmBO3的衍射峰有所重疊,在重疊部分衍射峰相互疊加,致使衍射峰變寬。

圖1 SmBO3,ZAO,ZnO和 ZAO/SmBO3的 XRD譜圖

2.2 ZAO/SmBO3的掃描電鏡分析

圖2為 ZAO/SmBO3和 SmBO3粉體的 SEM圖。從圖 2可看出,SmBO3粉體的粒徑為 100 nm左右,包覆后 ZAO/SmBO3復合粉體的粒徑約為 600 nm,包覆層厚度約為 250 nm。對包覆后的小球中心一點打能譜,譜圖結果顯示 Sm,Zn,Al的質量分數依次為 12.5%,41.96%,2.06%,進一步證實了 ZAO粉體包覆到了 SmBO3粉體的外表面。

圖2 樣品的 SEM照片

2.3 紅外發射率和激光反射率分析

2.3.1 SmBO3加入量不同對紅外發射率和激光反射率的影響

圖3為在 Zn(NO3)2·6H2O,Al(NO3)3·9H2O和尿素的加入量不變的條件下,改變 SmBO3的加入量,對紅外發射率和激光反射率的影響。由圖 3可看出,SmBO3的加入量從 0.005 mol到 0.02 mol時隨 SmBO3加入量的增大,紅外發射率有微弱的增大趨勢,激光反射率很大而且有降低的趨勢,但都和ZAO本身的發射率和反射率相近,這主要是由于SmBO3的加入量太少,這時候主要生成的是 ZAO粉體,ZAO粉體也沒有很好地包覆到 SmBO3的表面,由于 SmBO3的加入,所以紅外發射率開始變大。但是當 SmBO3的加入量到 0.025 mol時發射率突然變小,激光反射率也在 SmBO3加入量為 0.03 mol時達到較低值,這是由于 ZAO和 SmBO3達到了包覆的效果。隨著 SmBO3的加入量繼續增大時發射率繼續增大,激光反射率在 SmBO3自身激光反射率上下波動。這主要是由于 SmBO3的過量,顯現出來 SmBO3的性能。從激光和紅外兼容的角度來考慮,SmBO3的最佳加入量為 0.025 mol,即m(SmBO3)∶m(ZnO)為 1.5∶1時紅外發射率和激光反射率最低。

圖3 不同 SmBO3加入量下 ZAO/SmBO3的紅外發射率和激光反射率

2.3.2 酸的濃度和煅燒溫度對紅外發射率和激光反射率的影響

圖4為處理 SmBO3所用鹽酸的濃度對包覆粉體紅外發射率和激光反射率的影響。由圖 4可知,當HCl濃度過小時紅外發射率和激光反射率都比較高,這可能是由于 SmBO3表面沒有得到很好的處理,ZAO粉體沒有包裹到 SmBO3的表面,ZAO和SmBO3物理混合導致發射率和反射率都比較高。當HCl濃度為 0.4 mol/L時紅外發射率和激光反射率都突然變小,HCl濃度大于 0.4 mol/L時激光反射率不斷地增大,而紅外發射率保持一個平穩的波動,這主要是由于處理 SmBO3所用酸的濃度過高的時候,ZAO包覆在 SmBO3表面的厚度比較大,這時候SmBO3的激光隱身性能就表現不出來了,主要是ZAO的紅外隱身性能,因此導致了激光反射率不斷地升高,而紅外發射率沒有明顯變化。所以處理SmBO3時所用 HCl的濃度為 0.4 mol/L。

圖4 HCl濃度不同時ZAO/SmBO3的紅外發射率和激光反射率

圖5 溫度不同時ZAO/SmBO3的紅外發射率和激光反射率

圖5為包覆粉體的煅燒溫度對紅外發射率和激光反射率的影響。由圖 5可知,在 600℃時 ZAO還沒有和 SmBO3粉體結合在一起,表現出來的性能為ZAO的性能,紅外發射率比較低而激光反射率比較高;到 650℃時紅外發射率和激光反射率都比較低;當煅燒溫度高于 650℃時包覆粉體的紅外發射率和激光反射率都同時增大,這種趨勢在850℃時表現的尤其明顯,這主要是由于煅燒溫度過高,會導致粉體被燒融,粉體表面形貌發生變化,紅外發射率和激光反射率增大,因此包覆粉體的最佳煅燒溫度為650℃。

3 結論

1)共沉淀法制備 ZAO包覆 SmBO3粉體,包覆后的粉體 XRD譜圖 ZAO和 SmBO3的特征峰同時出現。2)SEM分析結果表明,所制備的包覆粉體直徑大約為 600 nm,包覆層厚度約為 250 nm。3)當工藝參數設置為m(SmBO3) ∶m(ZnO)為 1.5∶1、HCl濃度為 0.4 mol/L、煅燒溫度為 650℃時可獲得性能優良的包覆粉體,粉體的紅外發射率和激光反射率分別為 0.70和 0.73%。

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[3] 劉思俊,薛濤,聶登攀,等.ATO包覆納米 ZnO粉體的制備及表征[J].貴州化工,2008,33(5):17-19.

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Preparation and characterization of alum inum z inc oxide coated samarium borate nano-composite powder

Li Yongmei,Shen Xiaodong,Cui Sheng,Yi Xibin
(State Key Laboratory forM aterials Chem istry and Engineering,School of M aterials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing210009,China)

To obtain composite materialwith low infrared emissivity and laser reflectivity,nano-composite ZAO/SmBO3particleswith good composite effect and with relatively low infrared emissivity and laser reflectivity were prepared by compounding aluminum zinc oxide(ZAO)onto the surface of samarium borate(SmBO3).ZAO-coated SmBO3nano-composite powderwas prepared by coprecipitation method.From the picture of SEM,itwas found that the thickness of coating is about 250 nm.Influences of the factors,such asm(SmBO3)∶m(ZnO),concentration of HCl,and calcination temperature,on infrared emissivity and laser reflectivity during the coating processwere investigated.Results showed thatwhenm(SmBO3)∶m(ZnO)was 1.5∶1,concentration of HClwas 0.4 mol/L,and calcination temperature was 650 ℃,the infrared emissivity and laser reflectivity were the lowest.The lowest infrared emissivity and laser reflectivity were 0.70 and 0.73%,respectively.

aluminum zinc oxide;samarium borate;infrared emissivity;laser reflectivity

TQ132.41

A

1006-4990(2010)04-0014-03

江蘇省自然科學基金項目(BK2007586);江蘇省博士后科研資助計劃項目(0701012B)。

2009-12-23

李永梅 (1983— ),女,碩士研究生,研究方向為無機 /有機納米復合材料、復合隱身材料。

聯 系 人:沈曉冬

聯系方式:songzhu521@163.com