CN100455535C - 一种ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料的制备方法 - Google Patents
一种ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料的制备方法，按照化学摩尔计量比1∶2称量C15H36O5Zr和WOCl4置于密闭容器中取出，在氩气气氛下，将C15H36O5Zr、WOCl4溶于2-C3H8O中形成混合溶液，将密闭容器置入水浴中，加热至60～80℃搅拌4～10小时获得清澈透明溶液，停止加热，冷却至室温无沉淀析出；称量占溶液体积0.5～1%的纳米Al2O3粒子，在氩气气氛下，加入到溶液中，搅拌混合的同时水浴加热40～60℃，使得溶液呈凝胶状粒子；将复合胶体置入模腔中，在60～100℃的温度范围内施加60～100MPa的压力热压成型；将坯材加热至900～1000℃，然后进行快速退火1～2分钟就可以得到最终的复合材料，本发明的优点在于：可从微观上尺度上对ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料进行合成；所获得的复合胶体，易成型；降低了合成ZrW2O8的温度和时间。
Description
技术领域
本发明专利涉及复合材料的制备领域，特指一种将正热膨胀系数Al2O3和负热膨胀系数ZrW2O8两相材料进行微观复合的制备方法。
背景技术
材料的热膨胀系数一般为正，即加热膨胀，遇冷收缩。同样，也存在着材料的热膨胀系数为负，即加热收缩，遇冷膨胀。将具有负的热膨胀材料与正的热膨胀系数材料进行复合，从而能够实现对材料热膨胀性能可控，甚至达到材料的热膨胀为零，使其不受外界温度改变而导致材料尺寸变化所产生的应力作用。目前研究较多的具有负热膨胀性能的材料之一为ZrW2O8。它具有三个比较突出的性能：具有比较宽的负热膨胀温度范围；其α相的负热膨胀系数比较大；具有各向同性【1～4】。ZrW2O8自其负热膨胀性能被认识始，其与正的热膨胀复合一直成为研究热点之一，以探索合成不受外界温度变化影响的具有零膨胀系数的复合材料，目前已经将其与Cu，Al，水泥，ZrO2进行复合【5～9】，但是目前在材料复合过程中出现的问题依旧未能解决，即两相之间的浸润问题，均匀分散问题，不易成型问题。两相不能相互浸润，其界面结合力不强，容易成为裂纹源，降低材料的强度；两相材料不能相互均匀分散，易导致组成相的局部团聚，也易成为裂纹源。此外，由于上述ZrW2O8与其他材料复合时，采用普通高温陶瓷烧结，则成型性较差。
由于纳米粒子存在很大的界面自由能，粒子极易自发团聚，利用常规的共混方法不能消除无机纳米粒子与基体之间的高界面能差。因此，可将无机纳米粒子直接分散于有机基质中制备纳米复合材料，通过必要的超声波分散技术分散打开纳米粒子团聚体，将其均匀分散到基体材料中并与基体材料有良好的亲和性。目前为止，尚无将ZrW2O8与微纳米粒子复合方法的报道，更无采用超声波分散技术与溶胶-凝胶过程相结合来合成ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料的报道。
参考文献：
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发明内容
为了克服两相材料之间的不浸润，不易均匀分散的缺点，实现复合材料的易成型性，特提出本发明专利。本发明将ZrW2O8的溶胶-凝胶合成工艺特性与超声波技术相结合，可以将具有负热膨胀性能的ZrW2O8与正热膨胀性能的纳米Al2O3进行微观复合，从而制备出纳米复合材料。
本发明的目的是这样来实现的：
1、溶胶过程
按照化学摩尔计量比1∶2称量C15H36O5Zr和WOCl4置于密闭容器中取出，在氩气气氛下，将C15H36O5Zr、WOCl4溶于2-C3H8O中形成混合溶液，将密闭容器置入水浴中，加热至60～80℃搅拌4～10小时可获得清澈透明溶液，停止加热，冷却至室温无沉淀析出。
2、纳米Al2O3粒子的加入
称量占溶液体积0.5～1％的纳米Al2O3粒子，在氩气气氛下，加入到溶液中，搅拌混合的同时水浴加热40～60℃，使得溶液呈凝胶状粒子。
3、原始坯材的制备与后热处理
将复合胶体置入模腔中，在60～100℃的温度范围内施加60～100Mpa的压力进行热压成型；将坯材加热至900～1000℃，然后进行快速退火1～2分钟得到复合材料。
在溶胶过程中以WOCl4溶于2-C3H8O来计算调整混合溶液的摩尔浓度为0.08-0.5mol/l，在纳米Al2O3粒子的加入过程中，采用超声波装置进行分散混合1～3小时。
本发明方法与现有制备ZrW2O8复合材料方法相比具有以下优势：
(1)将化学合成过程(溶胶-凝胶)和物理分散技术(超声波分散)相结合，可从微观上尺度上对ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料进行合成；
(2)所获得的复合胶体，易成型；
(3)降低合成ZrW2O8的温度和时间(固相合成ZrW2O8温度区间为1100～1250℃，同时需要合成时间：24小时至一星期之间)
具体实施方式
利用化学合成过程和物理分散技术合成ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料，下面结合实例进一步说明。
实例一
1、凝胶过程
在真空箱中按照化学摩尔计量比1∶2称量C15H36O5Zr和WOCl4置于密闭容器中取出；以WOCl4溶于2-C3H8O来计算摩尔浓度为0.08M，进而在氩气气氛下，边进行搅拌边滴入所需2-C3H8O；将密闭容器置入水浴中，加热至60℃搅拌4小时可获得清澈透明溶液，停止加热，冷却至室温久置无沉淀析出。
2、纳米Al2O3粒子的加入
称量占溶液体积0.5％的纳米Al2O3粒子，加入后，同样在氩气气氛下，改用超声波装置进行分散1小时，混合同时水浴加热40℃呈凝胶状粒子。
3、原始坯材的制备与后热处理
将复合胶体置入模腔中，60℃施加60Mpa的压力热压成型；将坯材放入快淬炉中加热至900℃，然后进行快速退火1分钟，就可以得到最终的复合材料。
实例二
1、凝胶过程
在真空箱中按照化学摩尔计量比1∶2称量C15H36O5Zr和WOCl4置于密闭容器中取出；以WOCl4溶于2-C3H8O来计算摩尔浓度为0.25M，进而在氩气气氛下，边进行搅拌边滴入所需2-C3H8O；将密闭容器置入水浴中，加热至70℃搅拌7小时可获得清澈透明溶液，停止加热，冷却至室温久置无沉淀析出。
2、纳米Al2O3粒子的加入
称量占溶液体积0.8％的纳米Al2O3粒子，加入后，同样在氩气气氛下，改用超声波装置进行分散2小时，混合同时水浴加热50℃呈凝胶状粒子。
3、原始坯材的制备与后热处理
将复合胶体置入模腔中，80℃施加80Mpa的压力热压成型；将坯材放入快淬炉中加热至950℃，然后进行快速退火1.5分钟，就可以得到最终的复合材料。
实例三
1、凝胶过程
在真空箱中按照化学摩尔计量比1∶2称量C15H36O5Zr和WOCl4置于密闭容器中取出；以WOCl4溶于2-C3H8O来计算摩尔浓度为0.5M，进而在氩气气氛下，边进行搅拌边滴入所需2-C3H8O；将密闭容器置入水浴中，加热至80℃搅拌10小时可获得清澈透明溶液，停止加热，冷却至室温久置无沉淀析出。
2、纳米Al2O3粒子的加入
称量占溶液体积1％的纳米Al2O3粒子，加入后，同样在氩气气氛下，改用超声波装置进行分散3小时，混合同时水浴加热60℃呈凝胶状粒子。
3、原始坯材的制备与后热处理
将复合胶体置入模腔中，100℃施加100Mpa的压力热压成型；将坯材放入快淬炉中加热至1000℃，然后进行快速退火2分钟，就可以得到最终的复合材料。
上述三个实例所合成的纳米复合材料经过XRD(X衍射射线分析)分析俱为ZrW2O8和Al2O3相；经过SEM(扫描电镜)观察，其粒子分散均匀，且与基体之间界面结合良好。
Claims (3)
1、一种ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料的制备方法，其特征在于：采用如下步骤制备ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料：
(1)溶胶过程
按照化学摩尔计量比1∶2称量C15H36O5Zr和WOCl4置于密闭容器中取出，在氩气气氛下，将C15H36O5Zr、WOCl4溶于2-C3H8O中形成混合溶液，将密闭容器置入水浴中，加热至60～80℃搅拌4～10小时可获得清澈透明溶液，停止加热，冷却至室温无沉淀析出；
(2)纳米Al2O3粒子的加入
称量占溶液体积0.5～1％的纳米Al2O3粒子，在氩气气氛下，加入到溶液中，搅拌混合的同时水浴加热40～60℃，使得溶液呈凝胶状粒子；
(3)原始坯材的制备与后热处理
将复合胶体置入模腔中，在60～100℃的温度范围内施加60～100Mpa的压力进行热压成型；将坯材加热至900～1000℃，然后进行快速退火1～2分钟得到复合材料。
2、根据权利要求1所述的一种ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料的制备方法，其特征在于：在溶胶过程中以WOCl4溶于2-C3H8O来计算调整混合溶液的摩尔浓度为0.08～0.5mol/l。
3、根据权利要求1所述的一种ZrW2O8/Al2O3纳米复合材料的制备方法，其特征在于：在纳米Al2O3粒子的加入过程中，采用超声波装置进行分散混合1～3小时。
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