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本文以制备出热喷涂用纳米氧化锆粉为目标,以氯氧化锆为原料,采用中和沉淀法和喷雾干燥法相结合的方法来制备。通过加入合适的酸化剂、分散剂和粘结剂,得到了分散均匀、流动性良好的氢氧化锆胶体;考察了加入的各种试剂对氧化锆粉体比表面积的影响;然后将氢氧化锆胶体进行喷雾造粒,得到粒度和形貌符合要求的氢氧化锆粉体;在对粉体进行热处理时,考察了煅烧机制对煅烧后的氧化锆粉体比表面积和颗粒形貌的影响,并且研究了如何对氧化锆粉体的晶型进行控制。 本文首先采用中和沉淀法得到氢氧化锆胶体,并对胶体进行离心浓缩。此时得到的胶体为膏状半固体,固含量为15wt%(以能得到的氧化锆重量计算),基本没有流动性,根本不适合进行喷雾干燥。通过加入酸化剂,得到了流动性良好的胶体,并在胶体中加入分散剂和粘结剂,研究了各种试剂的加入对得到的氧化锆粉体的比表面积的影响。结果表明:氢氧化锆胶体中加入酸可以显著改善胶体的流动性,并且酸性强的酸对胶体流动性的改善效果明显,而氧化锆粉体的比表面积随酸的加入量的增加先增大后减小,最终选择酸A作为胶体的酸化剂,加入量为含量3左右,此时胶体流动性好,得到的氧化锆粉体比表面积大;分散剂B对酸化后的胶体具有较好的分散作用,能够比较明显的提高粉体的比表面积,其适合的用量为加入量2。粘结剂A作为粘结荆对粉体的比表面积的影响比较小,主要作用是对粉体的形貌起作用,加入量为加入量5比较合适。 得到流动性好,分散均匀,粘度合适的胶体后,就要对胶体进行喷雾干燥。喷雾干燥的优点是可以对粉体的粒度和形貌进行控制。本论文中使用离心式喷雾干燥机,实验中主要考虑轮盘转速对粉体的粒度和形貌的影响。通过对不同转速下得到的粉体的比较,选择20000转/秒以上的转速时,得到的粉体的粒度都在20微米以下,不能满足要求;选择13000转/秒的转速(进料速度为15-20ml/min)比较合适,能够得到符合热喷涂的粒度要求的粉体。通过扫描电镜下得观察,此时得到的粉体粒度在50微米左右,分布均匀,符合要求的颗粒含量多,球形良好,粉体具有良好的流动性。 喷雾干燥得到的氢氧化锆粉体必须进行热处理,以除去粉体中的水份和有机物,得到氧化锆粉体,并增强粉体的强度。在热处理的过程中,考察了热处理温度对氧化锆粉体比表面积的影响,并且考察了热处理机制对氧化锆粉体形貌的影响。结果表明:通过对粉体进行差热-热重分析,粉体的热处理温度应该在500℃以上,260℃之前的温度段是粉体的热处理过程中最关键的阶段,是粉体重量损火最快的阶段,此阶段如果升温过快将导致颗粒的缺陷增多,应严格地控制其升速率(为0.5℃/min)。并且热处理对粉体的比表面积有很大的影响,影响的主要因素是热处理的温度,当温度升高时,粉体的比表面积急剧降低,700℃时粉体的比表面积降至不到500℃时的一半,综合差热-热重分析和比表面积的结果,确定粉体的热处理温度为500℃-550℃比较合适。
对粉体的晶型进行控制也是重要的步骤。热喷涂对氧化锆粉体的组成有比较严格的要求,粉体中主要应为四方相的氧化锆。当不在氢氧化锆胶体中加入稳定剂时,最后煅烧得到的主要是单斜相的氧化锆粉体,通过加入Y<,2>O<,3>,可以得到主要为四方相的氧化锆粉体。当加入2.8mol%的Y<,2>O<,3>时,可以得到含有70%的四方相的氧化锆粉体。通过控制钇的掺杂量和热处理温度,就可以合成出重要的部分稳定和全稳定的四方相ZrO2粉体。