CC BY
185
УДК 54-165.2:535.372 Даниелян А.Т., Андреев Д.В.
СИНТЕЗ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ, СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ОКСИДОМ ИТТРИЯ
Даниелян Андрей Тигранович, студент магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов; e-mail: [email protected];
Андреев Дмитрий Вадимович, к.т.н., доцент кафедры химической технологий керамики и огнеупоров; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Методом обратного совместного осаждения получен порошок диоксида циркония, стабилизированный 8 мол. % оксида иттрия, преимущественно состоящий из кубической фазы с примесью моноклинной и возможным содержанием тетрагональной, при этом средний размер частиц равен 1 мкм.
Ключевые слова: стабилизированный диоксид циркония, нагревательные элементы, электропроводность
IN THE WORK OBTAINED POWDER ZIRCONIUM OXIDE STABILIZED WITH YTTRIUM OXIDE
Danielyan A.T., Andreev D.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
By the method of reverse co-precipitation, zirconium dioxide powder was obtained, stabilized with 8 mol. % yttrium oxide, mainly consisting of a cubic phase with an impurity of monoclinic and possible tetragonal content, with an average particle size of 1 micron.
Keywords: stabilized dioxide zirconium, heater elements, conductivity.
В настоящее время проводятся исследования в области создания керамических композиционных материалов на основе тугоплавких соединений с целью получения наноструктурных материалов с высокой механической прочностью, твердостью, термостойкостью. Керамика на основе диоксида циркония обладает хорошей механической прочностью и трещиностойкостью. Высокая прочность и вязкость разрушения керамики на основе диоксида циркония обусловлена наличием в керамике тетрагональной фазы, способной претерпевать превращение в моноклинную под действием механических напряжений
(деформационное упрочнение) [1, 2]. При этом наиболее высокими значениями механической прочности и трещиностойкости при сохранении устойчивости к коррозии и износу характеризуется керамика на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия. Диоксид циркония, стабилизированный оксидом, иттрия представляет собой многофункциональный материал с широким спектром применения, к которому относятся: ионные проводники, твердые оксидные топливные элементы, датчики кислорода, различные катализаторы. Плотно спеченный кубический диоксид циркония используется для изготовления нагревателей электрических печей с камерами, работающими в воздушной среде при температурах до 2000 °С.
Порошки для получения плотноспеченной керамики из диоксида циркония могут быть синтезированы гидротермальным или
сольватермическим синтезом, при помощи распылительной сушки, воздушно-плазменным распылением, синтезом горения (распылительный пиролиз), полимеризацией золь-геля и др.
Целью данной работы был синтез порошка стабилизированного диоксида циркония для получения плотноспеченной керамики с ионной проводимостью при температурах выше 1000 °С.
Для синтеза стабилизированного диоксида циркония состава: ZrO2 (92 мол. %, 86,25 масс. %) и У203 (8 мол. %, 13,75 масс. %) использовали метод обратного совместного осаждения гидроксидов из растворов солей. В качестве исходных веществ использовали оксихлорид циркония Zr0Q2•8H20 (ч.д.а.) и хлорид иттрия YCl3•6H2O (ч.д.а.), из них был приготовлен разбавленный водный раствор, доведенный затем до концентрированного посредством кипячения.
Технологическая схема синтеза
представлена на рисунке 1.
Приготовление насыщенного створа солей ггоаувн2о и уагбнго
Распыление в водный раствор аммиака (25 %)
Осаждение и фильтрация осадка
Сушка при 70 °С
Помол в планетарной мельнице
Сушка при 70 "С
Синтез смешанного оксида Zr02 (Т=1100 °С)
Помол в планетарной мельнице
Сушка при 70 °С
Рисунок 1 - Технологическая схема синтеза порошка стабилизированного диоксида циркония
Доведенную до кипения смесь растворов солей в указанном стехиометрическом соотношении распыляли в предварительно охлажденный до -5°С водный раствор аммиака (25 %). Полученный осадок отфильтровывали на воронке Бюхнера и промывали водой до отсутствия в фильтрате ионов хлора.
При проведении процесса осаждения были выполнены следующие условия: 1) осаждение проводили при контроле pH-среды, поскольку гидроксиды циркония и иттрия имеют различные рН-осаждения; 2) скорость распыления была минимальной, чтобы достичь пространственной удаленности центров зародышеобразования и получить преимущественно отдельные частицы гидроксидов, а не их агломераты; 3) осаждение осуществляли при непрерывном перемешивании для получения однородного по составу осадка и затормаживания процесса агломерации осажденных частиц; 4) после завершения процесса осаждения время нахождения осадка в маточном растворе было сведено к минимуму, чтобы избежать процессов оляции и оксоляции, которые характерны для гидроксида циркония и приводят к образованию полимерных соединений.
Выполнение вышеперечисленных условий при проведении процесса осаждения позволяет получить высокодисперсный и химически однородный осадок. Это способствует последующему взаимодействию компонентов с образованием сложного оксидного соединения при достаточно низких температурах.
Полученную смесь гидроксидов сушили при температуре 70 °С, затем мололи в течение одного часа на планетарной мельнице в среде этанола с массовым соотношением порошка к шарам — 1:4. После помола смесь вновь сушили при температуре 70 °С и далее обжигали при температуре 1100 °С с выдержкой в течение 2 часов для полной стабилизации и роста кристаллов. Полученный порошок смешанного оксида аналогично мололи в шаровой мельнице и сушили.
1Пг. сзм »ад
Рисунок 2 - Кривые распределения по размерам синтезированного порошка после помола в планетарной мельнице в течение 1 часа Данные гранулометрического анализа (рисунок 2) показали, что распределение частиц по размерам полученного в результате синтеза порошка находится в достаточно узких пределах - примерно от 1 до 9,5 мкм, тем не менее, существует потенциал сокращения агломератов частиц за счет дальнейшего его помола (гранулометр РА.РЫТБСН).
Повторный помол порошка в течение часа при аналогичных условиях позволил получить существенно меньший размер частиц порошка (рисунок 3): преимущественный размер агломератов составил менее 1,5 мкм.
Q3M
«
те t
тт
60 100
500 1000 M
Рисунок 3 - Кривые распределения по размерам синтезированного порошка после помола в планетарной мельнице в течение 2 часов
16 20 25 30 35 « Угол,|рнуе
Рисунок 4 - Результат рентгенофазового анализа порошка ZrOj-8 % Y2O3
Пики на диаграмме (рисунок 4) с углом 27 и 31,5° четко показывают, что порошок имеет в составе моноклинную фазу.
Различить между собой тетрагональную и кубическую фазу сложнее, так как пики этих фаз накладываются друг на друга, но судя по ярко выраженному пику с углом 30°, не дробящийся в другие пики, можно сделать вывод, что порошок состоит преимущественно из кубической фазы.
Таким образом, полученный порошок состоит из кубической фазы с примесью моноклинной и возможным содержанием тетрагональной при этом преимущественный размер частиц менее 1,5 мкм.
Список литературы
1. Sarbu C., Vleugels J., Van der Biest O. Phase instability in ZrO2—TiB2 composites // Journal of the European ceramic society, 2007. V. 27, N 5. — P. 2203—2208.
2. Sun J., Huang C., Wang J., Liu H. Mechanical properties and microstructure of ZrO2— TiN—Al2O3 composite ceramics // Materials Science And Engineering: A, 2006. — V. 416, N 1—2. — P. 104— 108.
