系列致密導(dǎo)電氧化物陶瓷及其制備方法
【專利說(shuō)明】
法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)電氧化物陶瓷的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種(SivxLnx)2T14系列的致密導(dǎo)電氧化物陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷材料因其具有硬度高、耐腐蝕、特殊的光學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)，因而在石化行業(yè)被廣泛使用，然而一般的陶瓷材料是靜電非導(dǎo)體，由于摩擦等因素會(huì)積聚電荷產(chǎn)生較高靜電壓，在一定條件下發(fā)生靜電放電時(shí)，對(duì)生產(chǎn)不利甚至造成嚴(yán)重的火災(zāi)、爆炸事故，使靜電問(wèn)題成為困擾石化行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的突出技術(shù)難題。國(guó)標(biāo)GB 12158-2006中明確規(guī)定，生產(chǎn)工藝設(shè)備應(yīng)采用靜電導(dǎo)體或靜電亞導(dǎo)體，避免采用靜電非導(dǎo)體。新安全生產(chǎn)法中也確立了“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的安全生產(chǎn)職責(zé)，因此，盡量使用靜電導(dǎo)體/導(dǎo)電材料是石化行業(yè)提高本質(zhì)安全水平，從源頭防范靜電事故的必要措施。
[0003]Sr2T14是一種具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的寬帶隙氧化物半導(dǎo)體，由絕緣鹽巖結(jié)構(gòu)SrO單元層和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)31*1103單元層沿c軸方向堆垛排列，表現(xiàn)出天然準(zhǔn)二維超晶格結(jié)構(gòu)。特殊的界面Sr0/SrTi03層可以增強(qiáng)對(duì)聲子的散射，使Sr 2Ti04具有較低的熱導(dǎo)率。通過(guò)三價(jià)稀土元素離子摻雜替代二價(jià)Sr2+，實(shí)現(xiàn)Sr2T1J^ η型導(dǎo)電性，制備稀土元素?fù)诫sSr 2Ti04導(dǎo)電陶瓷，具有物理性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸堿腐蝕、構(gòu)成元素?zé)o毒、原料豐富等優(yōu)點(diǎn)，適用于石化行業(yè)防靜電材料、高溫溫差發(fā)電材料、熱敏探測(cè)傳感器材料和阻燃隔熱材料方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。Sr2T14陶瓷的性能與其晶粒尺寸和致密度有關(guān)；晶粒尺寸小有利于增強(qiáng)聲子在晶界界面的散射，抑制熱導(dǎo)率；致密度高有利于降低氣孔對(duì)電子的散射，提高導(dǎo)電性。一般利用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)制備氧化物陶瓷，但由于氧化物陽(yáng)離子擴(kuò)散速率小，固相反應(yīng)進(jìn)程慢，制備過(guò)程中燒結(jié)溫度高(燒結(jié)溫度> 1450°C )，保溫時(shí)間長(zhǎng)，難以獲得單相產(chǎn)物，且造成陶瓷晶粒尺寸大，性能差；燒結(jié)過(guò)程中能耗較高；由于無(wú)壓燒結(jié)，陶瓷致密度低。因此，制備晶粒尺寸小、致密度高的稀土摻雜31*21104陶瓷是個(gè)難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種致密導(dǎo)電氧化物陶瓷及其制備方法，該氧化物陶瓷為(SivxLnx) 2Ti04系列，其首先通過(guò)液相共沉淀法合成前驅(qū)體沉淀物，然后將前驅(qū)體沉淀物利用放電等離子燒結(jié)快速成型，制備得到的氧化物陶瓷可導(dǎo)電，滿足國(guó)標(biāo)要求，并且其致密度大于98%，室溫電阻率為1(Γ5Ω.ι?量級(jí)。
[0005]本發(fā)明的任務(wù)之一在于提供一種(SivxLnx)2T14系列陶瓷。
[0006]一種致密導(dǎo)電氧化物陶瓷，所述陶瓷的分子式為(SrHLrO2T14，其中，X為0-0.08，Ln為鑭系元素，所述陶瓷的致密度大于98%，室溫電阻率為10_5Ω.m量級(jí)。
[0007]上述致密導(dǎo)電氧化物陶瓷所需原料為:選用硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦為原料提供金屬離子，選用草酸作為沉淀劑。
[0008]本發(fā)明的任務(wù)之二是提供上述致密導(dǎo)電氧化物陶瓷的制備方法，其包括以下步驟:
[0009]a、分別稱取一定量的硝酸鍶、鑭系硝酸鹽，并依次將二者加入到去離子水中，滴加適量的稀硝酸使溶液保持酸性，充分?jǐn)嚢柚寥芤撼吻澹?br>[0010]b、稱取適量的硫酸鈦，將其加入至步驟a所得澄清溶液中，磁力攪拌10_30min使二者均勻混合；
[0011]C、向步驟b所得混合后的溶液中加入草酸，滴加草酸的同時(shí)保持?jǐn)嚢?，待沉淀完全后得前?qū)體沉淀物，將所述前驅(qū)體沉淀物進(jìn)行離心分離、干燥得沉淀物；
[0012]d、將步驟c干燥后的沉淀物放入馬弗爐煅燒，得陶瓷母粉；
[0013]e、將所得陶瓷木粉放入SPS石墨磨具中，利用SPS燒結(jié)爐燒結(jié)制得陶瓷塊體，即得致密導(dǎo)電氧化物陶瓷。
[0014]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟c中，混合后的溶液中金屬離子與草酸的摩爾比例為I: 3-10，離心分離的轉(zhuǎn)速為10000-12000r/min。
[0015]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，步驟d中，煅燒溫度為600-900°C，保溫0.5_2h。
[0016]優(yōu)選的，步驟e中，SPS石墨磨具的規(guī)格為Φ20-Φ50，SPS燒結(jié)爐燒結(jié)過(guò)程中，升溫速率控制在50-150°C /min，保溫溫度為1350_1450°C，保溫時(shí)間2_25min，壓力10-13KN，
選用高純氬氣保護(hù)。
[0017]本發(fā)明所帶來(lái)的有益技術(shù)效果:
[0018]本發(fā)明提出了一種(SivxLnx)2T14致密導(dǎo)電陶瓷及其制備方法，其在原料的選擇方面，選用硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦為原料提供金屬離子，選用草酸作為沉淀劑，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明原料方便易得，并且成本低廉，通過(guò)硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦提供金屬離子，制備得到的陶瓷其致密度大于98%，室溫電阻率為10_5Ω.πι量級(jí)；在工藝方面，本發(fā)明通過(guò)加入草酸作為沉淀劑，沉淀得到前驅(qū)體沉淀物，并控制工藝參數(shù)對(duì)該前驅(qū)體沉淀物進(jìn)行離心分離、干燥，最后將干燥后的沉淀物煅燒，并采用SPS燒結(jié)爐燒結(jié)制得陶瓷塊體，陶瓷燒結(jié)只需40分鐘左右，本發(fā)明制備方法得到的致密(SivxLnx)2T14陶瓷為單相，且結(jié)晶性很好；本發(fā)明制備方法只需要一步燒結(jié)，室溫電阻率在10_5Ω.m量級(jí)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步清楚、完整的說(shuō)明:
[0020]圖1為本發(fā)明目標(biāo)產(chǎn)物(Sra95Cea %) 21104陶瓷表面經(jīng)打磨光滑后測(cè)得的XRD衍射圖譜以及 SrT14標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS card N0.39-1471)；
[0021]圖2為本發(fā)明目標(biāo)產(chǎn)物(Sra95Ceatl5)2T1^瓷斷面SEM照片；
[0022]圖3為本發(fā)明目標(biāo)產(chǎn)物(Sra95Ceatl5)2T14陶瓷的電阻率P隨測(cè)試溫度T的變化關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明公開(kāi)了一種(SivxLnx)2T14致密導(dǎo)電陶瓷及其制備方法，為了使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、技術(shù)方案更加清楚、明確，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步清楚、完整的說(shuō)明。
[0024]本發(fā)明所用主要原料硝酸鍶、鑭系硝酸鹽、硫酸鈦和草酸，均可通過(guò)商業(yè)渠道購(gòu)買得到。
[0025]實(shí)施例1:
[0026](SivxLnx)2T14中，X選定為0.05，Ln鑭系元素選定為Ce，利用共沉淀法結(jié)合放電等離子體燒結(jié)制備(Sra95Cea J2T14陶瓷的方法，具體步驟如下:
[0027]步驟1、按化學(xué)分子式(Sra95Ceatl5)2T14K例稱取0.025mol硝酸鈰和0.475mol硝酸鍶加入到去離子水中，并滴加適量稀硫酸，使溶液呈酸性，充分?jǐn)嚢柚脸吻迦芤海?br>[0028]步驟2、根據(jù)化學(xué)分子(Sra95Ceatl5)2T14比例稱取適量硫酸鈦加入到步驟⑴中，磁力攪拌20min，均勾混合；
[0029]步驟3、向步驟2溶液中加入草酸(C2H2O4.2Η20)，同時(shí)不斷攪拌，得前驅(qū)體沉淀物，沉淀完全后，通過(guò)離心機(jī)分離沉淀、干燥得沉淀產(chǎn)物，控制所有金屬陽(yáng)離子與草酸的摩爾比例為1: 4，離心機(jī)分離沉淀轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)/分；
[0030]步驟4、對(duì)步驟3沉淀物產(chǎn)物干燥完畢后，將其放入馬弗爐中煅燒，去除雜質(zhì)，煅燒溫度850°C，保溫lh，獲得陶瓷母粉；
[0031]步驟5、將步驟4得到的陶瓷母粉放入Φ20的SPS石墨磨具中，利用SPS燒結(jié)爐燒結(jié)獲得陶瓷塊體，燒結(jié)過(guò)程中，控制SPS燒結(jié)參數(shù)升溫速率100°C /min,保溫溫度1400°C，保溫時(shí)間3min，壓力選擇13KN，高純氬氣保護(hù)。
[0032]本實(shí)施例制備得到的(Sra95Ceatl5)2T14,其表面經(jīng)打磨光滑后，利用PhlipsX’Pert型X-ray衍射儀測(cè)得的XRD衍射圖譜，如圖1所示，從XRD圖譜可知，所得產(chǎn)物為單相結(jié)構(gòu)；
[0033]將該陶瓷斷面利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)的SEM照片如圖2所示，圖2中顯示陶瓷斷面晶粒上無(wú)明顯孔洞，表明致密結(jié)構(gòu)；利用熱點(diǎn)測(cè)量?jī)x(ZEM-3(M10)，ULVAC-RIKO，Inc.)測(cè)試(Sra95Ceatl5) 2Ti04陶瓷的電阻率P隨測(cè)試溫度T的變化關(guān)系，如圖3所示。
[0034]實(shí)施例2:
[0035]與實(shí)施例1不同之處在于，步驟I中鑭系硝酸鹽為硝酸釹，步驟3中控制所有金屬陽(yáng)離子與草酸的摩爾比例為1: 3，離心機(jī)分離沉淀轉(zhuǎn)速為10000轉(zhuǎn)/分。
[0036]實(shí)施例3:
[0037]與實(shí)施例1不同之處在于:步驟3中控制所有金屬陽(yáng)離子與草酸的摩爾比例為1: 10，步驟4中煅燒溫度為900°C，保溫2h，獲得陶瓷母粉；步驟5中將陶瓷母粉放入Φ 50的SPS石墨磨具中，燒結(jié)過(guò)程中，控制SPS燒結(jié)參數(shù)升溫速率150°C /min，保溫溫度1450°C，保溫時(shí)間3min，壓力選擇10KN，高純氬氣保護(hù)。
[0038]實(shí)施例4:
[0039]與實(shí)施例1不同之處在于:步驟5中將陶瓷母粉放入Φ40的SPS石墨磨具中，燒結(jié)過(guò)程中，控制SPS燒結(jié)參數(shù)升溫速率80°C /min，保溫溫度1350°C，保溫時(shí)間25min，壓力選擇10KN，高純氬氣保護(hù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種致密導(dǎo)電氧化物陶瓷，其特征在于:所述陶瓷的分子式為(Sr PxLrO2T14，其中，X為0-0.08，Ln為鑭系元素，所述陶瓷的致密度大于98%，室溫電阻率為10_5Ω.m量級(jí)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致密導(dǎo)電氧化物陶瓷，其特征在于:所需原料包括硝酸鍶、鑭系硝酸鹽、硫酸鈦和草酸，其中，選用硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦提供金屬離子，選用草酸作為沉淀劑。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的致密導(dǎo)電氧化物陶瓷的制備方法，其特征在于，依次包括以下步驟: a、分別稱取一定量的硝酸鍶、鑭系硝酸鹽，并依次將二者加入到去離子水中，滴加適量的稀硝酸使溶液保持酸性，充分?jǐn)嚢柚寥芤撼吻澹? b、稱取適量的硫酸鈦，將其加入至步驟a所得澄清溶液中，磁力攪拌10-30min使二者均勻混合； c、向步驟b所得混合后的溶液中加入草酸，滴加草酸的同時(shí)保持?jǐn)嚢?，待沉淀完全后得前?qū)體沉淀物，將所述前驅(qū)體沉淀物進(jìn)行離心分離、干燥得沉淀物； d、將步驟c干燥后的沉淀物放入馬弗爐煅燒，得陶瓷母粉； e、將所得陶瓷木粉放入SPS石墨磨具中，利用SPS燒結(jié)爐燒結(jié)制得陶瓷塊體，即得致密導(dǎo)電氧化物陶瓷。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的致密導(dǎo)電氧化物陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟c中，混合后的溶液中金屬離子與草酸的摩爾比例為1:3-10，離心分離的轉(zhuǎn)速為10000-12000r/mino5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的致密導(dǎo)電氧化物陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟d中，煅燒溫度為600-900 °C，保溫0.5-2h。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的致密導(dǎo)電氧化物陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟e中，SPS石墨磨具的規(guī)格為Φ 20- Φ 50，SPS燒結(jié)爐燒結(jié)過(guò)程中，升溫速率控制在50-150°C /min，保溫溫度為1350-1450°C，保溫時(shí)間2-25min，壓力10-13KN，選用高純氬氣保護(hù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種致密導(dǎo)電氧化物陶瓷及其制備方法，該陶瓷的分子式為(Sr1-xLnx)2TiO4，其中，X為0-0.08，Ln為鑭系元素，所述陶瓷的致密度大于98％，室溫電阻率為10-5Ω·m量級(jí)；制備該陶瓷的所需原料其選用硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦提供金屬離子，選用草酸作為沉淀劑，其首先通過(guò)液相共沉淀法合成前驅(qū)體沉淀物，然后將前驅(qū)體沉淀物利用放電等離子燒結(jié)快速成型，制備得到的氧化物陶瓷可導(dǎo)電，滿足國(guó)標(biāo)要求。本發(fā)明制備方法得到的致密(Sr1-xLnx)2TiO4陶瓷為單相，且結(jié)晶性能好。
【IPC分類】C04B35/47, C04B35/626
【公開(kāi)號(hào)】CN104926298
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510292636
【發(fā)明人】李亮亮, 劉全楨, 孫立富, 李義鵬, 高鑫, 張?jiān)婆? 宮宏, 孟鶴
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院
【公開(kāi)日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年5月27日