亚微米球形Y_(2)O_(3)粉体及其透明陶瓷的制备

Y_(2)O_(3)以其优良的物理化学性质和在280 nm~8μm宽频段内的高透明性,而广泛应用于激光介质或光学窗口等领域。制备高透明的Y_(2)O_(3)陶瓷是目前的研究热点和难点,而高质量的粉体是制备高透明Y_(2)O_(3)陶瓷的关键,尿素均相沉淀法以其爆发成核和均匀可控的阴离子释放机制成为制备单分散颗粒的主要方法。本工作以硝酸钇和尿素为原料,采用尿素均相沉淀法制备了单分散、亚微米级的球形Y_(2)O_(3)粉体。采用不同方法研究了Y_(2)O_(3)前驱体和煅烧后粉体的结构、物相演变和形貌。前驱体的颗粒尺寸约为330 nm,800℃煅烧2 h得到的Y_(2)O_(3)粉体尺寸约为260 nm。在800℃煅烧后即可得到纯相的Y_(2)O_(3)粉体,粉体呈球形,分散性好,且粒径均匀。以该Y_(2)O_(3)粉体为原料,添加原子分数0.3%的Nb_(2)O_(5)为烧结助剂,在1780℃通过真空无压烧结成功制备了透明Y_(2)O_(3)陶瓷。材料的光学性质优良,即样品(厚度1 mm)的直线透过率在1100 nm处达到76.9%,在400 nm处达到65.6%。本工作为制备性能优良的Y_(2)O_(3)透明陶瓷提供了一种新的方法。

二步煅烧法制备高热稳定性无定形SiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体

采用二步煅烧法制备了高热稳定性无定形SiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体。首先以十二水合硫酸铝铵和葡萄糖为原料混合煅烧制备无定形Al_(2)O_(3)前驱体,然后以正硅酸乙酯形式向无定形Al_(2)O_(3)中引入适量的SiO_(2),煅烧后即可获得具有高热稳定性的无定形SiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体。当SiO_(2)引入量为26%(质量分数)时,粉体经950℃下煅烧4 h仍为无定形结构;对前驱体进行研磨后,粉体热稳定性进一步提升,在1 020℃下煅烧4 h仍为无定形结构。研究表明,SiO_(2)引入量和前驱体混合均匀性对复合粉体的高温热稳定性有明显影响。

沉淀剂浓度对喷雾共沉淀法合成Tb_(2)O_(3)纳米粉体的影响

采用喷雾共沉淀法结合还原气氛处理制备了Tb_(2)O_(3)超细纳米粉体,探究了碳酸氢铵沉淀剂浓度对前驱体物相、粉体微观形貌和烧结性能的影响。研究表明,沉淀剂浓度会显著影响纳米粉体的微观形态、均匀性和烧结活性。沉淀剂浓度过低会导致沉淀物晶粒过度生长,造成粉体粒径增大和不均匀性;沉淀剂浓度过高会造成不良的软团聚。最佳沉淀剂浓度为1.5 mol/L,该条件下可获得平均粒径约为52.45 nm的超细Tb_(2)O_(3)均匀粉体,粒径分布范围为30~80 nm。粉体经1400℃的保护气氛烧结和热等静压处理后制得的Tb_(2)O_(3)透明陶瓷在1064 nm波长下Tb_(2)O_(3)透明陶瓷线性透过率为76.11%。

纳米结构Y_(2)O_(3)-Sc_(2)O_(3)-ZrO_(2)固溶体透明陶瓷的热压烧结和性能研究

笔者通过溶胶-凝胶燃烧法成功合成了Y_(2)O_(3)-Sc_(2)O_(3)-ZrO_(2)纳米粉体,研究了ZrO_(2)与热压烧结工艺对Y_(2)O_(3)-Sc_(2)O_(3)-ZrO_(2)固溶体透明陶瓷组织与性能的影响。结果表明,Y_(2)O_(3)-Sc_(2)O_(3)-ZrO_(2)粉体晶粒尺寸随ZrO_(2)掺入量的增加而减小。热压过程中,ZrO_(2)可以有效抑制晶界迁移,提高陶瓷致密度、透过率及强度和韧性。在优化的1300℃,30 min,40 MPa工艺下烧结,Y_(2)O_(3)-Sc_(2)O_(3)-10 mol%ZrO_(2)固溶体透明陶瓷的综合性能最好,其平均晶粒尺寸仅94 nm、致密度98.5%、硬度10.44 GPa,断裂韧性1.42 MPa·m^(1/2)、在3~6μm红外波段最大透过率达到72%。

Sc_(2)O_(3)∶Eu及ScOOH∶Eu粉体的可控制备及发光性能研究

通过添加表面活性剂PEG-1000并优化NaAc的用量及反应温度,以水热法制备了γ-ScOOH∶5%Eu、γ-ScOOH+α-ScOOH∶5%Eu、α-ScOOH∶5%Eu及Sc_(2)O_(3)∶5%Eu片状、棒状和花状形貌粉体。结果表明,在254 nm的光激发下,所有样品发射出了615 nm的红光,其中,Sc_(2)O_(3)∶Eu粉体具有最强的红光发射,这是因为ScOOH中有较多的羟基,其声子能量高(约1 550 cm^(-1)),导致更多的光子能量损失,从而导致发光减弱;同时,高温煅烧提高了Sc_(2)O_(3)∶Eu的结晶性,进一步增强了发光。

助剂Pr6O11掺杂对CeO_(2)-ZrO_(2)-Al_(2)O_(3)材料及其负载单Pd三效催化剂性能的影响研究

助剂表面改性是提高铈基材料热稳定性、还原性能及其负载单Pd三效催化剂低温活性的经典方法之一。揭示助剂表面改性的作用机制,对于研发高性能CeO_(2)-ZrO_(2)-Al_(2)O_(3)(CZA)材料,满足日趋严格的汽油车尾气污染物排放标准,解决尾气污染具有现实意义。基于引入助剂Pr_(6)O_(11)可以提升CZA的低温还原性能,进一步研究了不同Pr_(6)O_(11)含量(0、3%、5%、7%和9%,质量分数)对其氧化还原性能和热稳定性的影响。N_(2)吸/脱附、X射线衍射(XRD)、H_(2)-程序升温还原(H_(2)-TPR)和储氧量等表征结果表明,Pr_(6)O_(11)的表面改性可在一定程度上降低CeO_(2)-ZrO_(2)(CZ)纳米晶的烧结驱动力,抑制CZ晶粒烧结。同时,引入Pr_(6)O_(11)促进材料产生了更多氧空位,从而提高了其还原性能和储氧性能。其中,Pr_(6)O_(11)含量为5%时,改性CZA表现出最佳的热稳定性、还原性能和储氧性能,1000℃下老化4 h后比表面积和孔容最大(85 m^(2)/g和0.33 mL/g),CZ晶粒尺寸最小(6.9 nm),还原峰温低至532℃,400℃储氧量增至109μmol/g。因此,该改性CZA负载的单Pd三效催化剂表现出最优的催化活性,其CO、NO、C3H8和C3H6的t50(污染物转化率为50%时所需温度)较未改性催化剂分别降低了6℃、15℃、18℃和6℃。综上,在CZA材料中添加适量的Pr_(6)O_(11),可有效提高其负载单Pd三效催化剂的低温活性。该方法简单经济,具有较好的应用前景。

不同碳链长度的表面活性剂对CeO_(2)-ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-La_(2)O_(3)材料性能的影响

研究分析不同碳链长度的烷基酸表面活性剂(十酸、十二酸、十四酸、十六酸、十八酸)对CeO_(2)-ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-La_(2)O(3 CZ)材料性能的影响规律,揭示表面活性剂在构筑高性能CZ材料中的作用机制。N2-吸/脱附、OSC、H2-TPR和催化剂三效活性等测试结果表明,在纳米晶成核阶段加入不同碳链长度的表面活性剂均可在一定程度上增大纳米晶的初始晶粒尺寸,由此降低纳米晶的烧结驱动力。表面活性剂的引入促进材料产生更多氧空位从而提高了其氧化还原性能,其中,十二酸对材料热稳定性和氧化还原性能的促进效果最优,所制备CZ材料高温老化后的比表面积损失率低至46.3%,还原峰温最低为497℃,Ce的利用率最高为39%,因而其负载的单Pd三效催化剂表现出最佳的催化活性。

Zn_(3)(VO_(4))_(2):xDy^(3+)黄色荧光粉的制备与性能

以氧化锌和五氧化二钒为原料,氧化镝为掺杂离子,利用高温固相法合成了一系列的掺杂稀土镝的钒酸锌黄色荧光粉。对其光学性能进行了研究,结果表明,所制备的粉体都保持了矾酸锌的结构,并且荧光粉的发射光是VO_(4)^(3+)基团和Dy所致。当激发波长为350 nm时,其发射峰是位于510~595 nm的宽带状光谱,主峰位于563 nm处。研究了合成温度和Dy掺杂浓度对发光性能的影响,结果表明,当合成温度为800℃和Dy掺杂摩尔分数为6%时,Dy^(3+)能很好地进入到矾酸锌的晶格中,减小了荧光材料光学带隙,增强了光的吸收性能。暗室环境下封装后的荧光粉LED芯片具有良好的黄色发光性能。

TiO_(2)对Dy_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)微晶玻璃晶化行为的影响

研究了TiO_(2)含量对Dy_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(DAS)玻璃的结晶行为、微观结构及相组成的影响,并分析了结晶过程中孔洞的形成机理。结果表明,随着TiO_( 2)含量的增加,微晶玻璃的晶化激活能先升高后降低。当TiO_(2)含量为6 wt.%时,DAS微晶玻璃的晶化激活能达到最高,说明其晶化能力最差。TiO_(2)含量变化并未改变该体系微晶玻璃的晶化形式,所有微晶玻璃样品的结晶方式均为表面结晶,且均存在Dy_(2)Si_(2)O_(7)。在TiO_(2)含量为0 wt.%的样品中还观察到球状Al_(2)O_(3)颗粒。当TiO_(2)含量高于6 wt.%的样品中则生成了Al_(2)SiO_(5)。另外,完全晶化的微晶玻璃样品中存在孔洞,孔洞的形成是由于结晶相与玻璃相之间的密度差异。孔洞的形态及分布则受到结晶相的生长速度、结晶相的致密程度与结晶相形态的共同影响。

溶胶-凝胶燃烧法合成纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体

采用溶胶凝胶燃烧法,以Fe(NO_(3))_(3)·9H_(2)O为原料,柠檬酸为络合剂,制备出了纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体。通过热分析(DTA/TG),X射线衍射仪(XRD),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM),红外光谱(IR)和X射线光电子能谱(XPS)检测方法进行检测分析,探讨了影响燃烧的因素和纳米粉体的性能。结果表明,当金属离子与柠檬酸比例为1:1,pH=3-5时制备的干凝胶,在300℃引燃,可以充分燃烧。凝胶燃烧完成后在500℃煅烧1小时,可以得到尺寸大小在40-50 nm左右的高分散纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体。制备出的纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体具有优异光催化性能,降解初始浓度为10 mg/L的罗丹明B溶液时,纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体最佳投入量为0.5 g/L。

闪烧致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的微观结构及力学性能

以α-Al_(2)O_(3)和氧化钇稳定氧化锆粉体为原料,无压烧结制备致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷,在临界电场下进行热处理后,对Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的微观结构和力学性能进行研究。结果表明:在900 V/cm的电场下,烧结致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的闪烧起始炉温为308℃。在炉温为1200℃、电场为700 V/cm的条件下,闪烧致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷原位合成Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶结构。闪烧陶瓷主要分为复相区、过渡区和共晶区3个区域。复相区的微观结构与烧结陶瓷相似,形状不规则的Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)相均匀分布;过渡区晶粒异常长大,粗大的Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)相均匀分布;共晶区则呈现典型的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶结构。共晶区的维氏硬度和韧性分别为17.94 GPa和3.51 MPa·m^(1/2),与采用定向凝固技术制备的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷的力学性能相当。

并流共沉淀法合成Dy_(2)O_(3)-ZrO_(2)纳米粉体

采用并流化学共沉淀法合成了Dy_(2)O_(3)掺杂ZrO_(2)(DySZ)纳米粉体材料,系统研究稳定剂掺杂量、阳离子浓度、反应系统pH值和煅烧温度对粉体材料物相组成、晶体结构和微观形貌的影响。结果表明:不同合成工艺条件下,DySZ粉体材料均具有纳米尺度特征,球形颗粒尺寸为10~30 nm,Dy_(2)O_(3)的掺杂可以起到稳定晶型的作用;稳定剂掺杂量对DySZ粉体的物相组成具有明显影响,掺杂量为10%(质量分数)时可合成单一四方相结构的DySZ粉体;DySZ粉体材料的四方度和微观形貌对稳定剂掺杂量、阳离子浓度、反应体系pH值和煅烧温度均不敏感,但其平均晶粒尺寸随稳定剂掺杂量、阳离子浓度和反应体系pH值的升高略有降低,随煅烧温度的提高而显著增加。

熔铸AZS33材料中Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶体结构研究

采用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)等仪器研究了熔铸AZS33材料表面到内部的显微结构差异,尤其是Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶体的结晶形态以及共晶体中Al_(2)O_(3)、ZrO_(2)物相共存关系的变化。结果表明:AZS33材料中Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶体主要呈胞状形态,是熔体凝固时的成分过冷造成的。AZS33材料中的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶体主要以小平面-非小平面的方式耦合生长,Al_(2)O_(3)结晶的各向异性控制着共晶体的结晶生长过程。在内部结晶区,柱状或胞状Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶体边缘的斜锆石形态发生“粒状”向“棒状”的转变是结晶潜热的释放和最小界面能共同作用的结果。

煅烧硫酸铝铵复盐低温合成α-Al_(2)O_(3):葡萄糖和预压的影响

以NH_(4)Al(SO_(4))_(2)·12H_(2)O为原料,通过加入不同质量分数的葡萄糖合成α-Al_(2)O_(3),研究了葡萄糖含量和预压处理对α-Al_(2)O_(3)粉体合成工艺和温度的影响。结果表明:葡萄糖的加入可以明显改变相变过程,降低合成温度。添加质量分数为30%的葡萄糖时,可在950℃合成单相α-Al_(2)O_(3)粉体,合成温度比不添加葡萄糖时低200℃左右;添加质量分数为75%的葡萄糖时,α-Al_(2)O_(3)的合成温度可进一步降低至900℃。添加葡萄糖可以降低α-Al_(2)O_(3)合成温度的主要原因有两个:一是葡萄糖氧化分解产生的热加速了NH_(4)Al(SO_(4))_(2)·12H_(2)O的热分解,二是葡萄糖的添加使NH_(4)Al(SO_(4))_(2)·12H_(2)O分散均匀并无定形化。实验结果还表明预压处理可使α-Al_(2)O_(3)的合成温度进一步降低25~50℃,这可能是由于团聚体的破坏和粉末分散体的进一步均质化所导致。

液相法制备棒状Al_(2)O_(3)及Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)陶瓷复合粉体

采用二乙三胺五乙酸(DTPA)为配合剂,以简易的液相法合成出微纳米纤维状Al和Al-Zr前体,煅烧处理制备了棒状α-Al_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复合陶瓷粉体。同时研究了DPTA∶Al^(3+)质量比、反应温度与时间对陶瓷粉体形态的影响。利用X射线衍射(XRD)、热分析(TG/DSC)以及扫描电子显微镜(SEM)对粉体进行了表征。结果表明:较高的DTPA∶Al^(3+)质量比以及较长的反应时间有利于制备高长径比的纤维棒状Al和Al-Zr配合物前体。合成纳米纤维状α-Al_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)前体的最优条件是反应温度60℃,反应时间5.5h,DTPA∶Al^(3+)比例为1.2∶1。相应地,该前体煅烧后可以制备出棒状α-Al_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复合陶瓷粉体。

添加剂对CeO_2-ZrO_2-Al_2O_3复合氧化物结构及性能的影响

分别以柠檬酸(CA)、聚乙二醇(PEG)和淀粉(ST)为添加剂,采用共沉淀法制备CeO_2-ZrO_2-Al2O3(CZA)复合氧化物储氧材料,利用XRD、TG/DSC、SEM、N_2吸附-脱附、氧脉冲吸附和程序升温还原等检测方法对材料性能进行表征。XRD结果表明:ST添加剂的样品经1000℃煅烧后产物主要为CeO_2和γ-Al_2O_3,添加CA与PEG的样品为CeO_2-ZrO_2相,并夹带少量γ-Al_2_O3相;经1100℃煅烧后,3种添加剂样品都主要为CeO2-ZrO2晶相。SEM结果表明:CA、ST和PEG添加剂样品经1000℃高温处理后,分别为颗粒状、蜂窝状和多孔网状结构。N_2吸附-脱附结果表明:经600℃热处理后,ST添加剂样品具有最大的比表面积234.95 m~ 2/g和孔容1.589 cm^3/g;经1000℃热处理后,添加PEG样品获得最大的比表面积、孔容和孔径,其值分别为92.50 m^2/g、0.702 cm3/g和29.84 nm,且有最佳的孔分布和吸附-脱附能力。储氧性能OSC和H2-TPR结果表明:PEG添加剂制备的材料具有最好的储氧能力(OSC)和还原性能;1100℃高温下,ST添加剂样品的结构特性与PEG的接近;而CA添加剂样品的吸附能力、储氧性能都相对较低。

Gd_(2)O_(2)S:Tb闪烁陶瓷的制备与结构:水浴合成中H_(2)SO_(4)/Gd_(2)O_(3)摩尔比的影响

Gd_(2)O_(2)S:Tb闪烁陶瓷以其明亮的绿色发光、高能量转换效率和高中子俘获截面而广泛应用于中子成像和工业无损检测等领域,但Gd_(2)O_(2)S:Tb陶瓷中存在的Gd_(2)O_(3)第二相影响其闪烁性能。本工作以H_(2)SO_(4)和Gd_(2)O_(3)为原料,采用水浴法合成Gd_(2)O_(2)S:Tb前驱体,研究了H_(2)SO_(4)与Gd_(2)O_(3)的摩尔比(n)对前驱体和Gd_(2)O_(2)S:Tb粉体性能的影响。前驱体的化学组成随n增大而变化:2Gd_(2)O_(3)·Gd_(2)(SO_(4))_(3)·xH_(2)O(n<2.00)、Gd_(2)O_(3)·2Gd_(2)(SO_(4))_(3)·xH_(2)O(2.25≤n≤2.75)和Gd_(2)(SO_(4))_(3)·8H_(2)O(n=3.00),经过空气煅烧和氢气还原后,所有的粉体均形成Gd_(2)O_(2)S相。Gd_(2)O_(2)S:Tb粉体的形貌与前驱体的相组成密切相关,随着n增大,Gd_(2)O_(2)S:Tb粉体的XEL强度增加呈现出两个阶段,对应前驱体的相转变阶段。采用真空预烧结合热等静压烧结制备了Gd_(2)O_(2)S:Tb陶瓷,相较于n为2.00、2.25、2.50,其他n制备的Gd_(2)O_(2)S:Tb陶瓷都达到了较高的相对密度和XEL强度,不同n制备的陶瓷中都存在Gd_(2)O_(3)第二相,n增大有利于减少陶瓷内部的第二相,为进一步消除Gd_(2)O_(2)S:Tb陶瓷中的第二相提供了思路。

CeO_(2)⁃Y_(2)O_(3)⁃ZrO_(2)热障涂层研究进展

随着先进航空发动机涡轮叶片热障涂层服役温度、服役寿命和隔热性能等要求的不断提升,传统的6%—8%Y_(2)O_(3)部分稳定ZrO_(2)(YSZ)热障涂层由于存在容易产生高温相变、变形剥落等问题,已难以适应未来高温等更加严苛的工作环境。CeO_(2)和Y_(2)O_(3)共同稳定的ZrO_(2)(CYSZ)涂层具有良好的高温相稳定性、较好的抗熔盐腐蚀性能,CeO_(2)的掺杂能使ZrO_(2)材料的热导率降低,提高涂层的隔热性能、热膨胀系数和抗热震性能。综述了国内外CYSZ热障涂层的研究成果和存在的问题,阐述了CeO_(2)掺杂对YSZ热障涂层性能的影响机制,并简要介绍了目前国内外CYSZ热障涂层及其材料的制备技术研究进展。

Al_(2)O_(3)插入层对HfO_(2)/ZrO_(2)叠层薄膜铁电性能的影响

基于优良的可扩展性和良好的互补金属氧化物半导体工艺兼容性,铁电HfO_(2)基非易失性存储器引发广泛的研究兴趣。采用原子层沉积方法制备(HfO_(2)-ZrO_(2))_(3)/mAl_(2)O_(3)/(HfO_(2)-ZrO_(2))_(3)纳米叠层薄膜(m为Al_(2)O_(3)厚度),并通过改变Al_(2)O_(3)厚度研究其铁电性和可靠性。结果表明,当m为1mm时,叠层薄膜表现出最高的剩余极化值,为23.87μC/cm^(2),且随着Al_(2)O_(3)厚度的增加,漏电流值可降低2-3个数量级。Al_(2)O_(3)和HfO_(2)-ZrO_(2)因介电错配而产生界面极化,同时更低介电常数的Al_(2)O_(3)可有效调控叠层薄膜内部的电场分布,从而促进铁电性能和可靠性的协同提升,这为更宽厚度范围HfO_(2)基铁电存储器件的设计提供新的思路。

TiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体的制备及光催化性能

Al_(2)O_(3)陶瓷膜在过滤染料废水过程中容易被染料大分子堵塞,导致Al_(2)O_(3)陶瓷膜水通量下降。以钛酸丁酯、异丙醇铝为前驱体,采用溶胶-凝胶法制备Ti(OH)_(4)-AlOOH复合溶胶,经450℃烧成获得TiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体。以SEM、纳米粒度/电位仪作为主要表征手段,研究了不同Ti(OH)_(4)和AlOOH摩尔比对复合溶胶粒径分布的影响,进而探究TiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体的光催化性能。结果表明,Ti(OH)_(4)和AlOOH摩尔比为0~0.4时,随着Ti(OH)_(4)和AlOOH摩尔比的增大,胶粒的平均粒径从67.5 nm减小到34.0 nm, Ti(OH)_(4)-AlOOH复合溶胶的电位从43 mV升高至53 mV。当Ti(OH)_(4)和AlOOH摩尔比为0.4时,复合粉体对结晶紫的去除率高达79.3%,反应速率常数增大到了0.018 min^(-1)。TiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体制备的陶瓷膜能有效降解表面沉积的大分子,解决了陶瓷膜堵塞的问题。