東南科儀
已認(rèn)證
東南科儀
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前言
氮化鋯陶瓷具有高熔點(diǎn)、高硬度、好的化學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)性能,在硬質(zhì)涂層、耐極端工況材料、核燃料惰性基質(zhì)以及擴(kuò)散障等方面受到了廣泛應(yīng)用。
溶膠凝膠法是制備氮化鋯陶瓷材料的重要方法,它是由溶液中金屬離子經(jīng)水解縮聚逐漸凝膠化,再經(jīng)煅燒形成氧化物前驅(qū)體,最后通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韥?lái)得到目標(biāo)化合物的方法。
內(nèi)凝膠法是溶膠凝膠方法中的一種,指溶膠內(nèi)部含有固化所需的膠凝助劑,如六次甲基四胺,其在受熱后發(fā)生水解可使前驅(qū)體pH上升從而促進(jìn)凝膠固化發(fā)生。內(nèi)凝膠法是制備氧化物和非氧化物陶瓷材料常用的工藝方法。在制備過程中,TGA/DSC測(cè)試是熱處理和燒結(jié)工藝之前必須進(jìn)行的工作,它具有以下三個(gè)方面的重要作用:
(1)凝膠狀態(tài)微球的內(nèi)部存在較多有機(jī)物,通過TGA/DSC測(cè)試能夠初步判斷出凝膠內(nèi)部存在有機(jī)物的熱行為;
(2)TGA/DSC的分析結(jié)果能夠?qū)崽幚頍Y(jié)工藝的制定起到參考借鑒作用,明確劇烈反應(yīng)的溫度范圍,從而制定合理的燒結(jié)溫度;
(3)將添加不同碳源的樣品在相同條件下進(jìn)行TGA/DSC測(cè)試,能夠?qū)Ρ绕湓跓嵝袨樯系男畔⒉顒e。
梅特勒托利多 同步熱分析儀 TGA/DSC 3+
制樣過程
內(nèi)凝膠工藝采用的原料包括硝酸氧鋯、六次甲基四胺、尿素,碳源選取炭黑或果糖。首先,配制硝酸氧鋯的水溶液(溶液I)以及包含六次甲基四胺和尿素的水溶液(溶液II)。隨后添加碳源,當(dāng)碳源選用炭黑時(shí),則將適量炭黑粉末加入到溶液II中,通過超聲實(shí)現(xiàn)炭黑在其中的均勻分散;當(dāng)碳源選用果糖時(shí),則將適量果糖溶解于溶液I中,通過攪拌實(shí)現(xiàn)果糖的完全溶解。加入碳源后,在攪拌條件下將溶液II逐滴加入到溶液I中,混合溶液的pH在這一過程中逐漸升高,形成凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最后將其在60℃干燥后研磨成凝膠粉末,用于熱分析測(cè)試,凝膠粉末樣品形貌如圖1所示。
圖1.(a)含炭黑的凝膠粉末樣品、
(b)含果糖的凝膠粉末樣品
含炭黑和含果糖的凝膠粉末熱分析過程采用熱重/差示掃描量熱儀(TGA/DSC 3+, Mettler Toledo)進(jìn)行,它的升溫能夠達(dá)到最高1600℃,對(duì)于陶瓷材料的制備過程研究非常適用。實(shí)驗(yàn)過程中,首先稱取適量凝膠粉末樣品置于陶瓷坩堝中,然后以10℃/min的速率升溫至1500℃進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)過程選用氮?dú)鈿夥铡?/span>
結(jié)果討論
在以炭黑和果糖作為碳源時(shí),相應(yīng)凝膠干燥粉末獲得的TGA/DSC曲線分別如圖2和圖3所示。首先,根據(jù)TGA曲線的變化,兩種凝膠粉末的熱行為均可分為4個(gè)階段,分別對(duì)應(yīng)著吸附水的去除、殘余有機(jī)物分解和碳化、氧化鋯晶型轉(zhuǎn)變、以及碳熱氮化反應(yīng)的發(fā)生。由于碳源組分的差別,兩種凝膠粉末在每個(gè)階段的起止溫度和反應(yīng)劇烈程度不同。
在圖2以炭黑為碳源的凝膠粉末獲得的結(jié)果中,由室溫到240℃,TGA曲線上失重15%對(duì)應(yīng)的是凝膠中吸附水的去除,這里包括物理吸附水和化學(xué)吸附水。從240℃到800℃,TGA曲線上對(duì)應(yīng)48%的失重是由于凝膠中參與的有機(jī)物分解與碳化,殘余的有機(jī)物包括六次甲基四胺、尿素以及在膠凝化過程中形成的脲醛樹脂。DCS曲線在263℃附近出現(xiàn)明顯的放熱峰,對(duì)應(yīng)了殘余有機(jī)物分解碳化最劇烈的階段。第3個(gè)階段從800℃到1140℃,在DSC曲線上1050℃出現(xiàn)的放熱峰,對(duì)應(yīng)的時(shí)氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變過程。在1140℃到1500℃之間,TGA曲線上表現(xiàn)為失重7%、DSC曲線于1200℃的放熱峰,對(duì)應(yīng)的是碳熱氮化反應(yīng)的發(fā)生。
圖2.含炭黑凝膠粉末在N2下的TGA/DSC曲線
圖3.含果糖凝膠粉末在N2下的TGA/DSC曲線
在圖3中,以果糖為碳源的凝膠粉末的熱行為中,其四個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)的溫度范圍為:室溫~210℃、210℃~730℃、730℃~1200℃和1200℃~1500℃,凝膠粉末的相對(duì)失重分別為17%、38%、6%和9%,碳熱氮化反應(yīng)對(duì)應(yīng)的主要失重以及放熱峰位于1300℃附近。
對(duì)比圖2和圖3可知,在以果糖為碳源的圖3中,其在第二個(gè)階段的失重過程相對(duì)緩和,反應(yīng)的劇烈程度較以炭黑為碳源的圖1中凝膠要低。在以果糖為碳源時(shí),這一過程還包括了果糖的分解與碳化,有機(jī)碳源果糖在溫度升高時(shí)首先通過碳化轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形碳,隨后在高溫時(shí)參與碳熱氮化反應(yīng)的進(jìn)行。此外,相比于含有果糖的凝膠粉末,以炭黑為碳源時(shí)碳熱氮化反應(yīng)的起始溫度相對(duì)更低。具體地,以炭黑和果糖為碳源時(shí),碳熱氮化反應(yīng)的峰溫分別為1200℃和1300℃。
結(jié)論
通過TGA/DSC分析明確了凝膠粉末在加熱過程中的熱行為變化過程,包括其中有機(jī)物分解的溫度范圍、碳熱氮化反應(yīng)的發(fā)生、凝膠的總失重、以及不同碳源加入對(duì)凝膠熱行為的影響等具體信息。從而根據(jù)熱分析制定熱處理溫度,在有機(jī)物分解反應(yīng)較為劇烈的溫度范圍內(nèi),采取較為緩慢的升溫速率,從而保證凝膠中殘余有機(jī)物的充分去除,當(dāng)以果糖為碳源時(shí)同時(shí)保證果糖的有效分解和均勻碳化;確定合理的碳熱氮化溫度,當(dāng)以炭黑和果糖作為碳源時(shí)最高碳熱氮化溫度分別設(shè)置為1400℃和1450℃。根據(jù)圖4和圖5所示的X射線衍射圖譜可知,熱處理后所得產(chǎn)物為單相氮化鋯粉體。
圖4. 以炭黑作碳源時(shí)所得產(chǎn)物的XRD圖譜及形貌
圖5. 以果糖作碳源時(shí)所得產(chǎn)物的XRD圖譜及形貌
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