非水解溶胶-凝胶工艺结合熔盐法制备硅酸锆晶须的研究

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本文以无水 ZrCl4为锆源,Si(OC2H5)4为硅源,LiF为矿化剂,无水乙醇为溶剂,首次采用非水解溶胶-凝胶工艺(NHSG)结合熔盐法制备硅酸锆晶须。借助XRD、FE-SEM、TG、TEM等测试表征手段研究了熔盐种类、熔盐用量、热处理温度、洗样方式等工艺参数对硅酸锆晶须制备的影响,分析了晶须的结构和生长方向。结果表明:钼酸钠熔盐体系有利于硅酸锆的合成及一维生长;熔盐用量过少,硅酸锆晶须无法形成,而用量过多,硅酸锆易二维甚至三维生长,在干凝胶粉与熔盐质量比为1:4时,最有利于硅酸锆晶须的生长;当热处理温度为900℃,洗样方式为超声洗涤时,能制备出直径约100~250 nm,长径比>10的硅酸锆晶须,但晶须粘结严重。在此基础上,为深入揭示熔盐及矿化剂的作用机理,初步研究了熔盐处理方式、氟硅酸钠、氟锆酸铵的添加及矿化剂用量等工艺参数对硅酸锆晶须制备的影响。结果表明:将熔盐进行熔融处理能显著提高钼酸钠的合成率,有利于硅酸锆在650℃的低温下合成;氟硅酸钠、氟锆酸铵的加入会阻碍硅酸锆晶体的一维生长,使其发育为四方双锥状晶体;随着矿化剂LiF用量的降低,硅酸锆晶须直径逐渐减小,晶须之间的粘连程度逐渐缓解,当矿化剂LiF用量为0时,制备出的硅酸锆晶须分散性稍好、质量较优。  为进一步优化硅酸锆晶须的质量,在未加入矿化剂的情况下,系统研究了熔融钼酸钠熔盐的引入、熔盐用量、钼酸钠配比、热处理温度、保温时间、热处理方式、降温速率等工艺参数对硅酸锆晶须制备的影响,并分析了晶须的结构及生长方向,探究了硅酸锆晶须的生长过程。  结果表明:在未引入矿化剂的情况下,600℃便能合成硅酸锆纯相;氧化钼与碳酸钠比例过小(钼酸钠配比),体系对硅酸锆溶解度过小,不利于硅酸锆的液相传质;氧化钼与碳酸钠比例过大,体系对硅酸锆溶解度过大,硅酸锆浓度过大,硅酸锆晶粒易粘结,均不利于硅酸锆的一维生长,当氧化钼与碳酸钠摩尔比为56:44时,钼酸钠配比合适,硅酸锆在熔盐中的溶解度适中,有利于硅酸锆液相传质及一维生长;温度过高或保温时间过长,硅酸锆易三维生长,而过低则会使得硅酸锆晶须直径较细,发育不完全;由于 NHSG工艺制备的干凝胶粉组分均匀程度较好,生长基元扩散充分,硅酸锆合成速率大于由于温度升高造成的溶解度增大速率,使得硅酸锆晶须在升温过程中便开始生长。非水解溶胶-凝胶工艺结合熔盐法制备硅酸锆晶须最优的工艺参数为:不添加矿化剂LiF,干凝胶粉与熔盐质量比1:1,热处理温度850℃,保温时间3 h,随炉降温,所制备的硅酸锆晶须产率高,表面光滑,直径为50~100 nm,长径比为20~30,沿[001]晶向一维生长。
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