硅酸鋯粉體合成和涂層準(zhǔn)備工藝分析

李萬(wàn)景 王宇旭

(1 江蘇脒諾甫納米材料有限公司 江蘇 宜興 214200)(2 宜興市科學(xué)技術(shù)局 江蘇 宜興 214200)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域人們對(duì)于材料性能的要求也越來(lái)越高，對(duì)于一些粉體的純度、粒度等性能的要求也越來(lái)越高。硅酸鋯是生活中多種領(lǐng)域產(chǎn)品生產(chǎn)使用的原材料，自然環(huán)境下的硅酸鋯常常含有相應(yīng)的雜質(zhì)，較低的純度不能夠滿足一些高端產(chǎn)品的使用需求。為滿足社會(huì)生產(chǎn)的需求，需要合成純度較高的硅酸鋯粉體，這對(duì)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展以及促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步都具有十分重要的意義。對(duì)于一些特殊的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其對(duì)熱障涂層的隔熱和阻止氧離子擴(kuò)散的能力要求越來(lái)越高，而硅酸鋯作為高溫?zé)岱雷o(hù)涂層材料能夠很好地解決這些問(wèn)題。

1 硅酸鋯粉體合成工藝分析

1.1 固相法

高溫固相法一般是直接采用ZrO2、SiO2作為原料，按照一定的比例混合均勻，經(jīng)過(guò)高溫煅燒后得到具有一定粒度的硅酸鋯粉體。由于受到原料和合成方法的限制，上述的過(guò)程往往需要較高的合成溫度，而且還不能夠進(jìn)行完全反應(yīng)。該種合成方法的合成溫度受到多種因素的影響，在實(shí)際合成過(guò)程中合成溫度的差別很大。一些研究學(xué)者通過(guò)研究使用礦化劑在合成過(guò)程中的作用，發(fā)現(xiàn)其中活潑的反應(yīng)基有效降低了反應(yīng)的活化能，降低了合成溫度。固相法雖然具有較高的效率、簡(jiǎn)單的工藝以及能夠批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但也難以得到相應(yīng)要求的硅酸鋯粉體。

1.2 沉淀法

該方法是將沉淀劑加入到包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)得到相應(yīng)的共沉淀物，再對(duì)沉淀物進(jìn)行進(jìn)一步分解，得到硅酸鋯粉體。比如在一些學(xué)者的研究中，使用氯氧化鋯和硅溶膠為原料，加入氨水形成混合液，并將混合液的pH值調(diào)到9.5，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌得到沉淀物。在80 ℃的溫度下將沉淀物干燥6 h，再經(jīng)過(guò)450 ℃的高溫處理1 h，得到相應(yīng)的樣品，將樣品在1 200 ℃高溫下進(jìn)行煅燒，最后得到硅酸鋯粉體。該方法對(duì)于設(shè)備和技術(shù)的要求不高，花費(fèi)的成本低且產(chǎn)品純度高，但是其粒度較大，具有較差的分散性，溶液中的陰離子不容易去除。

1.3 微乳液法

微乳液的概念可以定義為2種互不相溶液體在表面活性物質(zhì)的作用下形成的熱力學(xué)穩(wěn)定、各向同性、外觀透明或半透明、粒徑在范圍內(nèi)的分散體系。有研究學(xué)者利用環(huán)己烷作為油相，把氨水作為水相，通過(guò)使用相應(yīng)的表面活性劑，在1 300 ℃的溫度下利用反膠束型微乳液合成出純度較高的硅酸鋯粉體。與傳統(tǒng)的制備方法相比較，反膠束微乳液法實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，容易操作，得到的硅酸鋯粉體粒度以及分散性都較好。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用TX-10、正丁醇和環(huán)己烷為原料，按照一定的比例配置油相溶液，向溶液中加入氨水并不斷進(jìn)行攪拌，得到穩(wěn)定透明的油包水型微乳液，在攪拌過(guò)程中向微乳液中加入20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的濃度為1 mol/L的正硅酸乙酯，得到的溶液記為1號(hào)。將正硅酸乙酯換成ZrOl2水溶液，按照相同的條件制得2號(hào)微乳液。經(jīng)過(guò)一系列的流程得到前驅(qū)物粉末，并在不同的溫度下進(jìn)行煅燒，其整個(gè)流程如圖1所示。

圖1 微乳液法制備硅酸鋯粉體流程圖

1.3.2 對(duì)前驅(qū)物分離并洗滌

利用微乳液法制得的前驅(qū)物，需要通過(guò)破乳這一操作才能夠?qū)⑵鋸奈⑷橐褐蟹蛛x出來(lái)，在這個(gè)過(guò)程中，利用破乳劑丙酮來(lái)進(jìn)行破乳。通過(guò)相應(yīng)的操作我們可以得到含有TX-10等物質(zhì)的前驅(qū)物，再經(jīng)過(guò)用丙酮進(jìn)行洗滌操作后，用去離子水進(jìn)一步洗滌可以除去前驅(qū)物表面較多的表面活性劑。洗滌流程如圖2所示。

丙酮破乳→靜置→離心分離→丙酮洗→離心分離→去離子水洗滌→離心分離→無(wú)水乙醇洗→離心分離

圖2前驅(qū)物分離以及洗滌流程

1.3.3 對(duì)前驅(qū)物進(jìn)行干燥和煅燒

經(jīng)過(guò)以上步驟處理后得到的前驅(qū)物，要在110 ℃的烘箱中進(jìn)行干燥數(shù)小時(shí)，干燥后得到的樣品進(jìn)行充分的研磨可以得到前驅(qū)物粉末，在不同的溫度下進(jìn)行煅燒就可以得到硅酸鋯粉體。

2 硅酸鋯涂層制備工藝分析

硅酸鋯作為一種重要的生產(chǎn)原料，其具有耐高溫和耐腐蝕的特點(diǎn)，特別是對(duì)于一些在高溫腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境下使用的金屬材料具有很好的保護(hù)作用。涂層保護(hù)作為金屬保護(hù)的一種重要的保護(hù)形式，對(duì)于硅酸鋯涂層的制備工藝進(jìn)行深入的研究具有十分重要的意義。比如對(duì)于陶瓷涂層，常用的制備工藝包括等離子噴涂技術(shù)、 電泳浸涂加高溫?zé)Y(jié)技術(shù)以及刷涂加高溫?zé)Y(jié)技術(shù)等。

2.1 等離子噴涂技術(shù)

在等離子噴涂技術(shù)中，其所謂的等離子體是指氣體經(jīng)壓縮電弧后形成的高溫等離子體。等離子噴涂是采用壓縮電弧作為熱源，其中壓縮電弧由普通電弧經(jīng)機(jī)械壓縮、熱壓縮以及自磁壓縮而產(chǎn)生。這樣的等離子體具有溫度高、能量集中、焰流速度高、以及較好的穩(wěn)定性和調(diào)解性等特點(diǎn)。硅酸鋯粉體經(jīng)過(guò)等離子焰流加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，隨著等離子焰流高速噴射并沉積到相應(yīng)的基體表面上，經(jīng)過(guò)一系列的作用形成結(jié)合良好的層狀致密涂層。

2.2 電泳沉積技術(shù)

電泳沉積技術(shù)結(jié)合DLVO理論的沉積機(jī)理以及雙電層形變機(jī)理，通過(guò)一系列的作用使相關(guān)粒子進(jìn)行沉積，在其他條件的輔助下，就可以得到相應(yīng)的電泳涂層。在這個(gè)過(guò)程中電場(chǎng)作用力發(fā)揮著重要的作用。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域中一些要求耐高溫、耐腐蝕性能較高的零件設(shè)備來(lái)說(shuō)，其需要較好的熱障涂層。硅酸鋯作為一種形狀為島狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，其具有高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率以及低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，符合許多領(lǐng)域產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)對(duì)所需的材料性能的要求。通過(guò)對(duì)硅酸鋯粉體以及涂層制備方法的研究，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，相關(guān)人員能夠制得更加優(yōu)良的硅酸鋯產(chǎn)品，從而促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。