02结构陶瓷材料系列指导书文档格式.docx

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二.实验原理

液相法是目前实验室和工业上合成超微细粉体最为广泛采用的方法，与固相法、气相法相比，它具有可精确控制化学组成、易于制备均匀的多组分粉体、易控制颗粒形状和粒径、颗粒表面活性好、成本较低等优点。

液相法可分为物理法和化学法两大类，化学反应沉淀法是合成单一或复合金属氧化物超细颗粒时最普遍应用的方法。

它是在金属盐溶液（含所需的金属离子）中加入合适的沉淀剂，使溶液中发生化学反应生成不溶性的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐等沉淀物，将沉淀固形物（为所要合成的氧化物的前驱物）用固液分离方法（如过滤操作）分离出来，再经干燥、煅烧分解形成最终的氧化物或复合氧化物。

由于溶液中解离出的金属离子是以均一相存在于溶液中，所以反应后可得到具有各组分均一的沉淀。

通过控制溶液的浓度、pH值、反应温度、以及采取各种反团聚的措施（如搅拌、超声振动、加入表面活性剂等），能够影响反应的速度，控制沉淀的形核率和长大速率，从而调节最终粉体的粒度。

因此，化学反应沉淀法容易得到高纯、化学成分均一、粒度小且较均匀的超微细颗粒，粒度可从微米级至亚微米级，甚至可达纳米级。

采用两种或两种以上的金属盐溶液混合时，称共沉淀法；

只有一种金属离子均匀沉淀时，称均匀沉淀法。

三．实验设备与器材

1．实验装置：

配制溶液用的容器（1000ml大烧杯或塑料杯）数只；

下口瓶一只,连接用乳胶管1米长，输液夹一只；

供进行反应的白塑料桶（容积10-20L左右）一只；

由布氏漏斗、吸滤瓶、抽滤管及连接软管组成的过滤装置一套；

电动搅拌器一台，离心机一台；

瓷研钵两套，80目或100目筛数只；

刚玉或高铝素瓷坩埚（500-1000ml）两只；

烘箱或真空干燥箱一台，实验电炉一台，球磨机一台；

盛放前驱物和粉体的适合容器，其它化学实验室常用器皿，称量用天平。

不锈钢铲子一把，大白搪瓷托盘二只。

2．实验用原料、化学试剂：

（1）制备α-Al2O3氧化铝超微粉:

硫酸铝铵（NH4Al（SO4）2·

12H2O），试剂级；

碳酸氢铵（NH4HCO3），分析纯；

氨水（NH3·

H2O），分析纯；

蒸馏水或去离子水；

无水乙醇（每批次500ml×

4瓶），分析纯；

聚乙二醇（分子量1500或1000）。

（2）制备Y-TZP氧化锆超微粉:

氧氯化锆（ZrOCl2·

H2O），工业级（纯度＞93.75%）；

氧化钇（Y2O3）,分析纯；

硝酸（HNO3），分析纯；

聚乙二醇（分子量1500或1000），1%AgNO3溶液少量。

3．其它材料：

pH试纸，滤纸（1大张），滤布。

四．实验步骤

1.工艺流程

NH4HCO3溶液

（1）氧化铝粉

NH4Al（SO4）2溶液

机械搅拌

聚乙二醇

控制pH值

NH4Al（OH）2CO3

陈化

过滤洗涤

离心后干燥

研细过筛

煅烧

球磨

氧化铝粉

图1-1氧化铝超微粉工艺流程图

（2）．氧化锆粉

Y（NO3）3溶液

ZrOCl2·

8H2O溶液

氨水溶液

过滤、洗涤

反应共沉淀

加聚乙二醇

酒精处理

氧化锆粉

研细、过筛

离心、干燥

图1-2Y-TZP氧化锆超微粉工艺流程图

2.配料计算

实验用主要原料的用量，应根据所欲合成的氧化物粉体的质量来计算，抓住主要金属离子的关系，并考虑所用原料的纯度或有效含量。

下面以氧化锆为例说明。

欲合成100g含3mol%Y2O3的全四方相ZrO2（3Y-TZP），需用多少ZrOCl2·

8H2O和Y2O3？

计算数据：

ZrO2分子量124.97（考虑原料中含2%共生的HfO2），Y2O3分子量225.81。

ZrO2∶Y2O3（摩尔比）=97∶3，换算成质量比为：

ZrO2

，Y2O35.30%

制备100g3Y-TZP粉，应有ZrO294.7g,Y2O35.3g。

8H2O为工业级，其有效含量有一定范围的波动，通常先用容量分析法来准确确定其有效含量，本实验所用的原料，1molZrOCl2·

8H2O含ZrO2为36.05—36.16%,可按36.10%计算,94.7gZrO2,需ZrOCl2·

8H2O为94.7÷

36.10%=262.3g,考虑到整个工艺过程的得率（最后实际得到的粉量与事先欲得量之比），对该用量应加以放大，得率一般大于85%，本实验中可按放大10%来计算ZrOCl2·

8H2O和Y2O3的用量（即将262.3g和5.30g再除以90%）。

制备Al2O3时，由于只有一种金属离子，无须考虑两种离子之比，较为简单，2mol的NH4Al（SO4）2·

12H2O生成1mol的Al2O3，根据NH4Al（SO4）2·

12H2O和Al2O3的分子量和NH4Al（SO4）2·

12H2O的纯度，按欲合成的Al2O3量，考虑得率加以适当放大，进行计算即可。

沉淀剂的用量不必精确计算，通常只保证其浓度，配制出足够富余的溶液备用，制备3Y-TZP粉，氨水浓度为25vol%，即将氨水加蒸馏水按1∶3稀释；

制备Al2O3时，碳酸氢铵（NH4HCO3）溶液浓度为2.5mol/L。

表面活性剂（如聚乙二醇）用量按欲合成粉量的2%计算。

本次实验中，每次实验按最终合成100或200g粉为计算依据，称量好备用。

3.溶液配制与反应前准备

（1）为保证制得高纯度和组成准确的粉体，凡工艺过程中各步骤所使用的容器、器材的与溶液、沉淀前驱物、粉体接触的部位，均应先洗净并用蒸馏水涮过，有些还需烘干；

在工艺过程各步骤均须避免灰尘和其它杂质的带入。

（2）母液（ZrOCl2·

8H2O溶液）浓度对最终粉体的粒度有影响，本实验定为0.4mol/L，据此确定母液用水量，将称量好的ZrOCl2·

8H2O在大烧杯中加蒸馏水完全溶解即可，留下部分水量备用。

由于原料有少量不溶杂质，可将溶液用过滤装置过滤，以吸滤瓶中无色、澄清的滤液倒入反应桶中，以少量备用水涮洗吸滤瓶内壁，再汇入反应桶。

Y（NO3）3溶液配制:

：

Y2O3粉置于小烧杯中，加入10-15ml硝酸，用玻棒搅拌使之完全溶解，使用硝酸时须小心，注意防止灼伤，最好置于通风橱内进行，Y（NO3）3溶液也汇入反应桶。

（3）沉淀剂溶液按步骤2中所述浓度配制，置于下口瓶中备用。

表面活性剂以水溶之（为加快溶解可适当加热），也汇入母液。

（4）安置好电动搅拌器、反应桶和下口瓶的相互位置，使搅拌器开动时下口瓶引出的滴液软管能顺利地向母液滴入沉淀剂。

（5）过滤装置连接就绪，滤纸、滤布裁剪好。

4.反应沉淀

将剩余的水全部注入反应桶，开动搅拌器，搅拌速度应控制在保证反应溶液及随后形成的前驱沉淀物得到充分混合，但不要飞溅出来。

松开下口瓶滴液管的输液控制夹，使氨水溶液滴入母液中发生沉淀反应，滴入速度以保证反应液pH值维持在9-10为宜，开始阶段要快一些（母液酸性大），以后pH值会较稳定，故每隔数分钟要检查pH值一次。

在反应进行过程中可看到白色的糊状沉淀不断产生，待完全沉淀后，停滴氨水，并继续搅拌30-40分钟。

5.洗涤与过滤

将沉淀物进行几次洗涤—过滤的循环操作，洗涤的主要目的是洗出沉淀物内的大量氯离子（留在前驱物内会影响粉体的性能），过滤则是为排除洗涤水和前驱物内的一部分游离水，故两种操作交替进行。

洗涤可用不锈钢铲铲出沉淀物在塑料容器中搅碎后加水洗，每次用蒸馏水约2L，并滴入少量氨水，使洗液pH=9，最后一次不加氨水。

每次洗后全部放入过滤装置的布氏漏斗中以流水抽滤。

也可直接在漏斗中洗，铲起沉淀物适当搅碎后加水洗，注意勿使滤布折皱和滤纸破裂，pH值同上。

判断洗涤是否完成，氯离子是否洗净，用AgNO3溶液来检验，方法为：

取少许（约1—2g）沉淀物加20ml蒸馏水搅拌、煮沸后用小漏斗过滤，向滤液中滴1—2硝酸，再滴入1—2滴AgNO3溶液，如无白色絮状沉淀（AgCl）产生，即认为合格，否则还要再洗，一般洗7—8次即可。

过滤操作必须在压差下才能顺利进行，本实验为负压吸滤，打开水龙头以流水使吸滤瓶中产生负压即可进行。

需注意以下几点：

（1）检查漏斗与吸滤瓶间橡皮塞、吸滤瓶与抽滤管及水龙头之间各连接管等连接处，不得漏气；

（2）在布氏漏斗的滤板上平铺一层滤纸（滤纸直径要略小于滤板直径），以水润湿，并稍加负压抽吸使滤纸平平贴紧，再铺上滤布（直径可略大于滤板直径），同样以水润湿并平平贴紧；

（3）欲过滤的固液混合物或溶液，可分几次慢慢倒入，以免冲动滤布、滤纸；

（4）在过滤中若滤饼干裂，用不锈钢铲将裂口弥平；

（5）观察滤液有无浑浊，如有浑浊，说明滤纸破裂发生了透滤，需更换纸。

6.酒精处理

氧化锆的前驱体的结构是以-OH桥连接的四聚体类型结构，这种-OH桥键能很大，易形成坚硬的团聚体，最终妨碍粉体粒度的微细化和降低其烧结活性，故欲获得超微细、高活性的氧化锆粉体，一个重要的关键就是防止或减少硬团聚的产生。

用无水酒精（或其它有机溶剂）迅速取代前驱物中的配位水分子及附着水是一重要方法。

将经步骤5最后一遍水洗过滤处理过的前驱物置于容器中以无水酒精浸泡，用量以能浸没为度（不必过多以免浪费），用铲子将前驱物滤饼搅碎并充分搅拌后静置一小时；

把前驱物酒精混合液均匀分装于离心机的离心杯内（一定使各杯质量平衡，或四只或对称两只），高速（3000转/分）离心20分钟，将杯内上部清液倒去（以一专用容器盛废酒精）；

将下部半干的前驱物，如上方法再浸泡、静置、离心处理一遍。

7.干燥、研碎与过筛

把半干的前驱物放在搪瓷托盘中置于烘箱（真空干燥箱或普通烘箱）内，在80℃基本烘干（摊成较薄层烘更好），用研钵研细过80或100目筛后，再于110℃完全烘干。

8.煅烧

烘干后的粉状物仍是未分解的前驱物，必须经高温煅烧使其所含残余水、结晶水、有机物及NH4离子、Cl离子分解挥发，并使ZrO2的前驱体实现分解和从无定形向晶型的转变。

烘干后的粉状前驱物置于刚玉坩埚或素瓷坩埚内，在电炉中于900℃煅烧1小时，烧时坩埚以盖覆之但留有缝隙以供气体排出。

煅烧工艺为：

升温速率约100℃/小时，500℃保温1小时，900℃保温1小时，随炉冷却至100℃以下取出。

9.球磨

煅烧完成晶型转变的ZrO2粉需经球磨以去除部分团聚，以无水乙醇球磨24小时，再离心甩干酒精、110℃完全烘干、研细过100目筛，即成成品粉，储存备用，并作好标记。

10．氧化铝超细粉制备时应注意的几点

氧化铝超细粉制备的实验步骤与氧化锆基本相似，为：

配料计算、称量、反应装置准备、溶液配制、沉淀反应、陈化、洗涤、离心甩干、烘箱干燥、煅烧、球磨。

除一些共性操作注意事项外，还应注意以下几点：

（1）母液（NH4Al（SO4）2·

12H2O溶液）浓度本实验定为0.3mol/L,配制好后置于反应桶中,母液中同样要加入表面活性剂（如聚乙二醇1000，用量为粉重的2%，水溶后入母液）；

沉淀剂溶液（NH4HCO3溶液）浓度本实验定为0.25mol/L,配制好后置于下口瓶中备用。

（2）反应时两种溶液的混合方式对粉体的粒径及其分布有显著影响，本实验采用将NH4HCO3溶液缓慢滴入母液并施以机械搅拌的混合方式，pH值控制在9-10，反应后继续搅拌2小时。

（3）沉淀物静置2小时陈化，冬季可近于适当的暖源。

11.为缩短本实验的时间，上述步骤7、9中的研细、过筛、球磨可与本系列中实验二结合进行。

五．注意事项

1．实验前必须仔细阅读本指导书，预习有关实验步骤和各步骤中的注意要点，并建议阅读粉体工程书籍的相关内容。

每次实验根据指导老师安排制备氧化锆粉或氧化铝粉。

2．本实验步骤多，持续时间长，各小组可事先作好分工安排，每人重点负责某几个步骤和相关准备工作，体现合作精神。

但前后步骤必须交待清楚并互相检查核对，确保无误；

同时每人对全过程都要了解，并掌握关键的工艺参数。

3．实验全部完成后，清洗所有容器、烧杯、漏斗、滤瓶、筛子、研钵及其它器具。

六．实验报告要求

1．实验目的、实验原理；

2．工艺流程；

3．配料计算方法与结果；

4．实验操作步骤及主要现象观察记述；

5．回答思考题。

七．思考题

1．你认为在超微粉体制备过程中影响粒度的主要因素有哪些？

2．使用酒精处理和添加聚乙二醇有何作用？

实验二粉体的球磨与筛分

一．实验目的

球磨与筛分均是无机材料制备过程中用于粉体处理的重要工艺。

球磨用于粉碎颗粒、减小颗粒粒度，有时也可用于粉料的混合（如以前综合实验功能陶瓷系列中做的）；

筛分则用于颗粒的分离或分级。

这两种工艺操作对结构陶瓷的生产和科研都是不可缺少的。

本实验可与实验一结合进行。

1．掌握球磨的工艺原理和操作方法；

2．掌握筛分的工艺原理和操作方法；

3．了解影响球磨与筛分的主要因素。

二．实验原理

1．球磨：

球磨是将粉体与球磨介质（俗称磨球）装入专用的球磨筒（罐）中，在球磨机上使球磨筒以一定速度（低于临界转速，临界转速的定义见《粉体工程》）转动，依靠磨球的冲击、磨剥作用，对粉体颗粒产生粉碎作用；

当有液体介质（如水、酒精等）存在时，称湿法球磨，无液体介质时称干法球磨，湿法球磨的粉碎效率一般高于干法。

在球磨初期，颗粒较粗，冲击作用较大，当粉料磨细、细颗粒多时，由于细粉的缓冲作用，冲击作用变弱，则以磨剥作用为主。

随球磨时间延长，颗粒粒度不断减小，但在其它条件一定的情况下，并非任意延长时间就能提高球磨效率的，粒度降至某一值时就基本不变，此时过于延长时间只会造成介质的磨耗。

为提高粉碎效率，可采用振动式磨机或行星式磨机。

影响球磨效果的因素很多，主要有转速、球磨时间、粉—球—液体的比例、磨球的尺寸、级配、形状和种类，至今尚无定量确定的方法，一般依实验获得的经验来定。

球磨处理时还需重视防止污染的问题，随球磨的进行，球磨筒（罐）的内壁材料和磨球也必然发生磨耗，磨耗物混入粉料中造成污染，将来清除很费事，故内壁材料和磨球材质必须选择耐磨又不形成污染的材料，如内壁材料用聚氨酯、尼龙（可以挥发烧掉）或与粉料成分相同、致密耐磨的陶瓷，磨球则用与粉料成分相同、致密耐磨的陶瓷，或其它对粉料无特别影响、致密耐磨的陶瓷，常用致密的氧化铝、氧化锆或玛瑙。

另外，球磨罐、磨球应专用，避免不同粉料之间污染（因极细的粉粒会嵌入罐内壁或球表面的孔隙中无法清除）。

2．筛分：

筛分是使粉体颗粒群在筛面上作相对运动（垂直、水平方向均有），靠颗粒的重力，使最大长度尺寸小于筛孔尺寸的部分颗粒通过筛孔（通过部分称筛下，留在筛面上的部分称筛余），从而实现对粉体的分离、分级。

筛孔尺寸是控制筛下颗粒尺寸的关键，各国均制定了筛制，规定了筛孔尺寸的系列、相应的筛丝直径及上下号筛孔尺寸比（筛比），以一定长度内所含正方形筛孔的数目（“目”）为筛号，目越大，筛孔尺寸越小。

可查阅有关手册，查知各筛号（“目”）所对应的筛孔尺寸，如国际上常用的泰勒制，200目的筛孔尺寸为0.074mm,依次相邻的150目的筛孔尺寸为0.074×

√2=0.104mm，100目的则为0.104×

√2=0.147mm……。

实验室用于结构陶瓷粉料筛分的筛号常为20、30、40、60、80、100、200目，颗粒越细，之间的粘附力越大，200目及200目以上已很难筛下。

粉料中所含水分（或其它液体）越少，越有利于筛分，但当水分多于一定量粉料成为浆体时，又可加速筛分（称为湿法筛分），故要用200目及200目以上筛时，可用湿法。

实验室处理的粉体量少，一般不追求筛分速率，而主要控制筛下颗粒的粒度与粒度组成，常将过筛与研细交替进行，通常采取“少研勤筛”的办法，防止筛下部分有大量过度偏细的颗粒。

三．实验设备与器材

1．行星式球磨机，ND2型或XM-2A型；

2．聚氨酯衬球磨罐，500ml，4只或尼龙球磨罐，500ml，4只；

3．磨球，氧化锆质，2000g；

4．瓷研钵（1000ml），4只；

5．尼龙丝网分样筛，80目、100目各2只；

6．无水乙醇，500ml装，3瓶；

7．取粉勺子、漏勺、大号搪瓷托盘、8开白纸数张；

8．无色塑料盆（直径220～250mm）或直径适合的瓷质、搪瓷容器；

9．离心机，LXJ-Ⅱ型或LD4-2型。

四．实验步骤

1．研细、过筛：

以处理实验一中基本烘干的粉体前驱物为例，若处理其它粉体时，方法步骤相似，只是筛号不同。

（1）所用取粉勺、托盘、研钵、筛子均先洗净并烘干。

（2）取少量粉体（以不超过研钵容积的1/5为度）放入研钵，以研棒研细几分钟；

80目筛下方置托盘或白纸，用勺取研过的粉均匀洒在筛面上，以手持筛框摇动筛子，有部分粉粒筛下，把筛余重新放入研钵，再研细、过筛；

当筛余很少时，可在研钵中再添加未研过的粉，如此研细与过筛交替进行，掌握少研勤筛的原则，防止筛下部分有大量过度偏细的颗粒，直至将全部粉体处理完。

2．球磨：

以处理实验一中经煅烧后的粉体为例，若处理其它粉体时，方法步骤相似，只是所用磨球、球：

粉：

液比例及种类、球磨时间的不同。

（1）所用球磨罐、磨球、取粉勺、漏勺、搪瓷托盘均先洗净并烘干。

（2）根据欲球磨的粉量和球磨罐容积，确定用几只罐，500ml罐一般最多处理100g干粉（球+粉+液的总体积以不超过罐内高度的三分之二为宜）；

按球：

液比例=3：

1：

1.2～1.5（质量比），分别称好氧化锆球、粉；

装罐时，按球—粉--球次序放，再慢慢注入酒精，等酒精被粉吸收后再加一些，使酒精能淹没全部球，上好罐盖。

（3）行星式球磨机的使用：

以ND2型为例，已在综合实验功能陶瓷系列的粉料混合实验中用过，在此不再重复。

只须注意以下几点，球磨机可装4只罐，要4罐重量平衡，如无需4罐时，要2罐重量平衡成对角线放置，如只需1只罐时，要用另一罐（不放粉、但放同样重量的球并以水配至等重）在对角线配平衡；

球磨与混粉相比，转速和时间有别。

在行星式球磨机上固定好2罐（至少）后，上好保护罩，开动球磨机，转速调至123转/分，球磨24小时。

（4）球磨结束后，以勺和漏勺将球磨罐内的球和料浆放入100目筛（下方置有适合容器）湿法过筛，为减少粉料残留在罐壁和磨球上的损失（损失不可避免，这就是实验一中提到的得率的含义），可用漏勺将粘有粉浆的球放回罐内，用少量酒精涮之再倒出湿过筛，可反复两三次，但要注意节约酒精。

（5）容器内粉浆分放于离心杯中在离心机上离心甩干，倒去多余酒精后，于110℃完全烘干。

3．按步骤1的方法和要领，将烘干的粉体再研细过100目筛，所得的最终粉体即为成品粉，装入密闭容器贴上标签保管，以作后用。

1．粉体处理要求洁净的条件，要从各个途径防止带入灰尘和污染物。

2．所用的罐、球、钵、筛、勺、盘、杯等，实验结束后应清洗干净、烘干并保管好。

3．为防止交叉污染，罐、球、钵、筛、杯要专用。

1．实验目的与基本原理；

2．简述实验步骤和实验心得体会；

3．回答思考题。

1．为什么湿法球磨的效率高于干法？

2．在对同量粉料球磨时，磨球尺寸大好还是小好？

为什么？

实验三粉体粒度及其分布测定

一．实验目的

1．掌握粉体粒度测试的原理及方法；

2．了解影响粉体粒度测试结果的主要因素，掌握测试样品制备的步骤和注意要点；

3．学会对粉体粒度测试结果数据处理及分析。

二．实验原理

粉体粒度及其分布是粉体的重要性能之一，对材料的制备工艺、结构、性能均产生重要的影响，凡采用粉体原料来制备材料者，必须对粉体粒度及其分布进行测定。

粉体粒度的测试方法有许多种：

筛分法、显微镜法、沉降法和激光法等。

激光粒度测试是利用颗粒对激光产生衍射和散射的现象来测量颗粒群的粒度分布的，其基本原理为：

激光经过透镜组扩束成具有一定直径的平行光，照射到测量样品池中的颗粒悬浮液时，产生衍射，经傅氏（傅立叶）透镜的聚焦作用，在透镜的焦平面上形成一中心圆斑和围绕圆斑的一系列同心圆环，圆环的直径随衍射角的大小即随颗粒的直径而变化，粒径越小，衍射角越大，圆环直径亦大；

在透镜的后焦平面位置设有一多元光电探测器，能将颗粒群衍射的光通量接收下来，光--电转换信号再经模数转换，送至计算机处理，根据夫朗和费衍射原理关于任意角度下衍射光强度与颗粒直径的公式，进行复杂的计算，并运用最小二乘法原理处理数据，最后得到颗粒群的粒度分布。

激光粒度测试法具有适应广、速度快、操作方便、重复性好的优点，测量范围为：

0.1—几百微米。

但当粒径与所用光的波长相当时，夫朗和费衍射理论的运用有较大误差，需应用米氏理论来修正。

三．仪器设备

1.制样：

电动搅拌器、超声清洗器、烧杯、玻璃棒、蒸馏水、六偏磷酸钠。

2.测量：

BT-9300激光粒径分析仪、微型计算