硅酸鋯粉體合成和涂層準備工藝探討

張宗喜 郭 玲

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社會的快速發展,使得工業生產領域對材料性能的要求也隨之改變,變得越來越高,高規格的粉體、純度以及粒度更符合生產需求。自然條件下硅酸鋯粉體通常會伴隨有AL3O2、Tio2等雜質,而高端產品的生產則需要更高純度的硅酸鋯粉體,對此合成硅酸鋯粉體對促進社會發展具有重要意義。同時,對于一些特殊產品,熱障涂層的隔熱以及抗氧化能力很重要,而硅酸鋯作為高溫熱防護涂層可以很好的解決這些問題,具有實踐意義。

1 硅酸鋯粉體概述

硅酸鋯為導狀結構硅酸鹽化合物,化學式為ZrSiO4,理論成分ZtO267．2%,SiO232．8%,真比重4．02－4．86,莫氏硬度7．5,耐火度2340－2550℃。硅酸鋯有a＝0．6607、c＝0．5982、z＝4的四方對稱結構。

硅酸鋯具有良好的熱穩定性以及抗震性能,同時熱膨脹系數特別低。硅酸鋯粉體置于小于1400℃的環境中,其強度指標不會明顯下降,置于超過1670℃的溫度,才會產生分解形成Zr O2、SiO2。硅酸鋯1200－1400℃范圍內都可以維持良好的彎曲強度,同時1670℃以下,其結構不會發生變化,因此它的應用比較廣泛,在耐火材料、結構陶瓷材料,以及高溫陶瓷顏料包裹體方面都有應用。

2硅酸鋯粉體合成工藝分析

2．1 固相法 高溫固相法的溫度影響因素較多,在實際實驗中合成溫度和預估差別很大。在高溫固相法中首先將ZrO2、SiO2按照一定的比例混合均勻,然后經過高溫煅燒從而得到所需要的硅酸鋯粉體。合成所需要的Zr O2、SiO2材料比較特殊,熔點高,合成過程需要溫度控制要求高,同時還并不一定可以完全反應。對此,固相法雖然反應過程相對簡單,但是存在浪費大、得到所需硅酸鋯粉體很難符合要求,故應用不廣。

2．2 沉淀法 沉淀法主要是在包含有一種或者多種離子的可溶性鹽溶液中加入沉淀劑,然后經過一系列反應形成具有均一組成的共沉淀物,接著對其分解除去陰離子,就可以得到所需物體硅酸鋯粉體。

比如在一些學者的研究中,采用氯氧化鋯和硅膠作為原料,然后將氨水添加到里面,形成一種混合液,調節PH值為9．5,對混合液進行過濾和洗滌的處理,形成沉淀物。令沉淀物處于80℃干燥6h,然后取出來置于450℃1h,得到樣品接著置于1200℃下煅燒處理,最終得到所需物硅酸鋯粉體。對于沉淀法,技術要求不高,但是反應過程有點復雜,陰離子不易除去,得到的硅酸鋯粉體分散性也較差,對此不適合大面積推廣。

2．3 微乳液法 微乳液法主要指的是反膠束型微乳液,指的是表面活性物質對兩種互不相溶的溶液體作用,然后形成熱力學穩定、各向同性、外觀透明或半透明、粒徑在范圍內的分散體系。較之固相法和沉淀法,微乳液法反應簡單,得到的硅酸鋯粉體各方面性能也比較好。

2．4 水熱法 水熱法也有著熱液法的稱呼,水熱法最開始是模擬成礦作用而展開研究,包含在液相化學之內。水熱法主要是以水為溶劑,對容器有要求,可接受高溫高壓,然后在密閉的、高溫高壓的容器內所發生的化學反應。水熱反應的溫度處于100－350℃之間,壓力小于15Mpa。水熱法也分好幾種類型,主要有水熱氧化法、水熱沉淀法、水熱晶化法、水熱合成法、水熱分解法、水熱還原法。在水熱法中,硅酸鋯粉體的形成過程,主要會經歷兩個階段,即“溶解”和“結晶”。最開始,營養料在熱介質中溶解成為分子、離子團進入到溶液;分子以及離子團在強烈對流作用下被輸送至樣品生長區也就是低溫區,從而形成飽和溶液,進一步成核,成晶粒,形成結晶。水熱法的反應比較簡單,主要用于合成在常溫常壓下不溶于各種溶劑的、或者溶解后比較易分解的、熔融鉛前后會分解的化合物,也適合于合成低熔點與聚集態的新物質。

2．5 溶膠－凝膠法 溶膠－凝膠法能夠在較低溫度下制備高純度陶瓷粉體,也是很關鍵的手段。在溶膠－凝膠法中,最初要先將無機鹽或者金屬醇鹽通過水解形成溶膠,然后令其凝膠化,進行干燥、熱處理,分解有機物,然后得到所需要的硅酸鋯粉體。

3 硅酸鋯涂層準備工藝分析 硅酸鋯是重要生產原料,性質上耐高溫以及耐腐蝕,故多應用于金屬材料的保護。對硅酸鋯粉涂層準備工藝分析研究,意義重大。一般涂層制備工藝主要有:等離子噴涂技術、電泳浸涂加高溫燒結技術和刷涂加高溫燒結技術等。

3．1 等離子噴涂技術 噴涂技術屬于表面工程的一個分支。等離子噴涂技術是由等離子噴槍噴射出等離子射流,主要原理就是利用壓縮電弧作為熱源提供能量,令氣體到達很高的溫度被電離,對此產生的等離子射流具備溫度會很高、速度快以及能量大等特點。等離子焰流將硅酸鋯粉體加熱達到熔化或者半熔化狀態,然后在等離子焰流的作用下做高速運動,隨之到達相應物體表面,并沉積,最終形成結合良好的層狀致密涂層。

3．2 電泳沉積技術 電泳沉積技術則結合了DLVO理論的沉積機理和雙電層形變機理這兩項,其中的主要作用就是電場力。在一系列作用下相關粒子進行沉積,然后通過其他條件,就能夠得到對應的電泳涂層。

4 結語

綜上所述,隨著時代發展,科學技術有著極大的進步,同時社會經歷了很多變化,當前興起的工業領域,隨著時代的變遷也產生了很大變化,對一些材料的要求也越來越高。硅酸鋯因其高熔點、低熱導率、低膨脹率等優良特點,能夠滿足在眾多領域產品生產時所要求的材料規格。因此,通過對硅酸鋯粉體以及涂層制備方法的研究,可以對行業起到推動的作用,有著實用價值。