本發(fā)明屬于新材料和功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對能源需求越來越大，而地球留給人類的原始資源越用越少。能源短缺和環(huán)境日益惡化的問題成為全人類共同的困難，因此尋求更加清潔、安全、可再生能源備受關(guān)注，并且成為各國人們的共識。
熱核聚變是目前重要的能源研究方向之一，而聚變中子產(chǎn)氚的材料尤為重要。偏鈦酸鋰(li2tio3)是用作鋰基陶瓷材料作為熱核反應(yīng)堆中氚增殖材料中最有前途的材料之一，因?yàn)樗哂泻侠淼匿囋用芏?、活性低、化學(xué)穩(wěn)定性高、與結(jié)構(gòu)材料具有良好的兼容性。因此，li2tio3粉末制備方法是國內(nèi)外眾多研究者的關(guān)注熱點(diǎn)。
鋰基陶瓷li2tio3以其可觀的鋰原子密度、低活化性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、與結(jié)構(gòu)材料良好的相容性以及良好的氚低溫釋放性能，被公認(rèn)為是一種綜合性能優(yōu)良、最具前途的固體氚增殖劑之一。目前制備的方法主要有固相法、溶膠-凝膠法、燃燒合成法和水熱法。固相反應(yīng)多選用li2co3和tio2為原料，充分混合后，在700～1000℃下，高溫煅燒5～24小時(shí)。粉體粒徑大小、均勻度、結(jié)晶度、超胞結(jié)構(gòu)等參數(shù)均不相同。因?yàn)閠io2具有金紅石型、銳鈦型、無定形和混合型等多種形態(tài)，所以，難以制備一種形態(tài)的偏鈦酸鋰。固相法再一個(gè)缺陷就是完全靠溫度來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的生成，由于料層厚度、夾帶等造成反應(yīng)不完全、需高溫長時(shí)間熱處理、所制得li2tio3粉末往往成分不均勻、化學(xué)計(jì)量難控制、粒度分布寬且粒度粗，并受到原料tio2結(jié)構(gòu)與形貌的限制，其結(jié)構(gòu)與形貌很難調(diào)控。溶膠-凝膠法、燃燒合成法和水熱法是典型的濕法反應(yīng)，反應(yīng)條件和原料要求苛刻，不同批次間制備的偏鈦酸鋰顆粒形貌、粒度分布、晶胞直徑等均有差異。上述生產(chǎn)方法生產(chǎn)成本高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)工藝條件苛刻，對氚增殖陶瓷的質(zhì)量造成了影響，尋求一種易于控制、質(zhì)量穩(wěn)定的制備偏鈦酸鋰的方法對氚增殖陶瓷的質(zhì)量控制尤其重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰的制備方法，流程短、工藝簡單、科學(xué)合理、生產(chǎn)成本低廉、生產(chǎn)過程易于控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
本發(fā)明所述的氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰的制備方法，步驟如下：
(1)鈦源前驅(qū)體的制備：
將硫酸法除雜后鹽處理前的偏鈦酸加水打漿后，加入碳酸銨溶液，加完后繼續(xù)攪拌，進(jìn)行板框壓榨，得濾餅；
(2)鋰源鑲嵌反應(yīng)與離子浸潤摻雜：
將步驟(1)所得濾餅加水打漿處理后，加入li2co3，加完后繼續(xù)攪拌，然后加入鋰離子吸附劑繼續(xù)攪拌，進(jìn)行板框壓榨，得濾餅；
(3)煅燒與微粉：
將步驟(2)所得濾餅煅燒烘干，降至室溫后進(jìn)行粉碎，粉碎至325目篩篩余0.2％，得氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰粗產(chǎn)品；
(4)后處理：
將步驟(3)所得氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰粗產(chǎn)品在沸水中浸泡后，烘干，得氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰產(chǎn)品。
其中：
步驟(1)中所述的偏鈦酸加水打漿后，tio2的含量為300～400g/l。
步驟(1)中所述的碳酸銨溶液的濃度為400g/l；碳酸銨的加入量與偏鈦酸中硫酸的質(zhì)量比為1.2～1.4：1。
步驟(1)中所述的加入碳酸銨溶液的攪拌速度為10～30轉(zhuǎn)/min，加完后繼續(xù)攪拌30min，所述的碳酸銨溶液在3min內(nèi)緩慢加入。
步驟(2)中所述的濾餅加水打漿處理后，tio2的含量為550～600g/l。
步驟(2)中所述的li2co3與h2tio3的摩爾比為1.1～1.3：1。
步驟(2)中所述的加入li2co3的攪拌轉(zhuǎn)速為30～50轉(zhuǎn)/min，加完后繼續(xù)攪拌45min。
步驟(2)中所述的鋰離子吸附劑為多孔二氧化硅或氯氧化鋯，鋰離子吸附劑的用量為tio2質(zhì)量的0.8～1.0％。
步驟(3)所述的煅燒烘干條件為：由室溫開始升溫，升溫至400～500℃后恒溫1h，繼續(xù)升溫至650～700℃后恒溫6h。
步驟(4)所述的浸泡時(shí)間為6～8h。
本發(fā)明所述的氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰的制備方法，具體步驟如下：
(1)鈦源前驅(qū)體的制備：
將硫酸法除雜后鹽處理前的偏鈦酸進(jìn)行打漿，使其tio2的含量在300～400g/l，將預(yù)先配制的400g/l的碳酸銨溶液均勻的加入到偏鈦酸溶液中，碳酸銨的加入量與偏鈦酸中硫酸的含量按照：硫酸/碳酸銨＝1：1.2～1.4的質(zhì)量比加入。加入的過程攪拌速度為10～30轉(zhuǎn)/min，緩慢加入，以便使偏鈦酸夾雜的硫酸與碳酸銨充分反應(yīng)，加入完畢，繼續(xù)攪拌30min后，進(jìn)行板框壓榨，濾液進(jìn)行濃縮結(jié)晶，得到硫酸銨產(chǎn)品，濾餅進(jìn)入下一道工序。
(2)鋰源鑲嵌反應(yīng)與離子浸潤摻雜：
將前工序?yàn)V餅采用離子水進(jìn)行打漿處理，配制到tio2濃度為550～600g/l，控制li2co3/h2tio3的摩爾比為1.1～1.3：1進(jìn)行充分打漿，攪拌轉(zhuǎn)速為30～50轉(zhuǎn)/min，攪拌45min后，加入適量的多孔二氧化硅或者氯氧化鋯進(jìn)行離子摻雜，繼續(xù)攪拌30min后，板框壓榨，濾液反到前工序作為配制碳酸銨的溶液使用，濾餅進(jìn)入下一工序。
(3)煅燒與微粉：
將前一工序的濾餅裝入高純石英托盤中，進(jìn)行煅燒烘干，要求由室溫升起，在400～500℃恒溫1小時(shí)后，繼續(xù)升溫至650～700℃后，恒溫6小時(shí)后，停止加熱，將溫度降至室溫后，采用超細(xì)微粉機(jī)進(jìn)行粉碎后，得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰。
(4)后處理：
為了減少微量殘留鋰的影響，將制備得到的偏鈦酸鋰在煮沸的離子水中浸泡6～8小時(shí)后，烘干得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰最終產(chǎn)品。
li2tio3粉末的純度、顆粒大小、粒徑分布等都會(huì)對li2tio3陶瓷小球的制備及小球產(chǎn)氚性能產(chǎn)生很大的影響，所以對偏鈦酸鋰提出了更高的要求，以滿足后續(xù)制備的偏鈦酸鋰增殖陶瓷性能優(yōu)越。
本發(fā)明在制備偏鈦酸鋰的過程中，著重對強(qiáng)度大、粒徑小、雜質(zhì)少、開孔結(jié)構(gòu)豐富的偏鈦酸鋰制備進(jìn)行研究。以來源廣泛、價(jià)格低廉的硫酸法鈦白粉生產(chǎn)過程中的活性偏鈦酸作為鈦源，經(jīng)過碳酸銨處理后，加入碳酸鋰，實(shí)現(xiàn)原子或分子級水平嵌鋰鹽進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后再進(jìn)行適量的離子浸潤摻雜，以提高偏鈦酸鋰在增殖陶瓷中的性能。因?yàn)閘ioh的熔點(diǎn)比li2co3的熔點(diǎn)低，從而在反應(yīng)的過程中促使顆粒變大，影響顆粒的性能，所以鋰鹽我們選擇碳酸鋰，同時(shí)碳酸鋰在反應(yīng)的過程中，為偏鈦酸鋰提供了更多的微細(xì)通道孔，為后續(xù)的偏鈦酸鋰增殖陶瓷創(chuàng)造了更多的開孔結(jié)構(gòu)，提供了更加優(yōu)異的性能。煅燒過程嚴(yán)格控制溫度在650～700℃的溫度區(qū)域，以確保形成疏松狀的大比表面的粒子，比表面能夠在50m2/g以上銳鈦型的顆粒，因?yàn)榻鸺t石型的顆粒粒度硬且密度高，增殖陶瓷性能降低，而具有較低的密度的銳鈦型顆粒更加有利于增殖陶瓷的制備。為了減少在微孔中殘留的鋰的影響，將制備得到的偏鈦酸鋰粗產(chǎn)品在煮沸的離子水中浸泡6～8小時(shí)后，烘干得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰最終產(chǎn)品。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明流程短、工藝簡單、科學(xué)合理、生產(chǎn)成本低廉、生產(chǎn)過程易于控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
2、本發(fā)明制備的偏鈦酸鋰強(qiáng)度大、粒徑小、雜質(zhì)少、開孔結(jié)構(gòu)豐富。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限定本發(fā)明。
實(shí)施例1
將硫酸法除雜后鹽處理前的偏鈦酸1kg進(jìn)行打漿計(jì)量，使其tio2的含量為300g/l，將預(yù)先配制的400g/l的碳酸銨溶液均勻的加入到偏鈦酸溶液中，碳酸銨的加入量與偏鈦酸中硫酸的含量按照：硫酸/碳酸銨＝1：1.2的質(zhì)量比加入。加入的過程攪拌速度為10轉(zhuǎn)/min，在3min內(nèi)緩慢加入，以便使偏鈦酸夾雜的硫酸與碳酸銨充分反應(yīng)，加入完畢，繼續(xù)攪拌30min后，進(jìn)行板框壓榨，濾液進(jìn)行濃縮結(jié)晶得到硫酸銨產(chǎn)品。
濾餅進(jìn)入鋰源鑲嵌反應(yīng)與離子浸潤摻雜工序：將前工序?yàn)V餅采用離子水進(jìn)行打漿處理，配制到tio2濃度為550g/l，控制li2co3/h2tio3的摩爾比為1.1：1進(jìn)行充分打漿，攪拌轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/min，攪拌45min后，加入多孔二氧化硅進(jìn)行離子摻雜，繼續(xù)攪拌30min后，板框壓榨，濾液反到前工序作為配制碳酸銨的溶液使用。多孔二氧化硅的加入量為tio2質(zhì)量的0.9％。
濾餅進(jìn)入煅燒與微粉工序：將前一工序的濾餅裝入高純石英托盤中，進(jìn)行煅燒烘干，要求由室溫升起，在400℃恒溫1小時(shí)后，繼續(xù)升溫至650℃后，恒溫6小時(shí)后，停止加熱，將溫度降至室溫后，采用超細(xì)微粉機(jī)進(jìn)行粉碎，粉碎至325目篩篩余0.2％，得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰。為了減少微量殘留鋰的影響，將制備得到的偏鈦酸鋰在煮沸的離子水中浸泡6小時(shí)后，烘干得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰最終產(chǎn)品。
實(shí)施例2
將硫酸法除雜后鹽處理前的偏鈦酸1kg進(jìn)行打漿計(jì)量，使其tio2的含量為350g/l，將預(yù)先配制的400g/l的碳酸銨溶液均勻的加入到偏鈦酸溶液中，碳酸銨的加入量與偏鈦酸中硫酸的含量按照：硫酸/碳酸銨＝1：1.3的質(zhì)量比加入。加入的過程攪拌速度為20轉(zhuǎn)/min，在3min內(nèi)緩慢加入，以便使偏鈦酸夾雜的硫酸與碳酸銨充分反應(yīng)，加入完畢，繼續(xù)攪拌30min后，進(jìn)行板框壓榨，濾液進(jìn)行濃縮結(jié)晶得到硫酸銨產(chǎn)品。
濾餅進(jìn)入鋰源鑲嵌反應(yīng)與離子浸潤摻雜工序：將前工序?yàn)V餅采用離子水進(jìn)行打漿處理，配制到tio2濃度為600g/l，控制li2co3/h2tio3的摩爾比為1.2：1進(jìn)行充分打漿，攪拌轉(zhuǎn)速為40轉(zhuǎn)/min，攪拌45min后，加入氯氧化鋯進(jìn)行離子摻雜，繼續(xù)攪拌30min后，板框壓榨，濾液反到前工序作為配制碳酸銨的溶液使用。氯氧化鋯的加入量為tio2質(zhì)量的0.9％。
濾餅進(jìn)入煅燒與微粉工序：將前一工序的濾餅裝入高純石英托盤中，進(jìn)行煅燒烘干，要求由室溫升起，在500℃恒溫1小時(shí)后，繼續(xù)升溫至700℃后，恒溫6小時(shí)后，停止加熱，將溫度降至室溫后，采用超細(xì)微粉機(jī)進(jìn)行粉碎，粉碎至325目篩篩余0.2％，得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰。為了減少微量殘留鋰的影響，將制備得到的偏鈦酸鋰在煮沸的離子水中浸泡8小時(shí)后，烘干得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰最終產(chǎn)品。
實(shí)施例3
將硫酸法除雜后鹽處理前的偏鈦酸1kg進(jìn)行打漿計(jì)量，使其tio2的含量為400g/l，將預(yù)先配制的400g/l的碳酸銨溶液均勻的加入到偏鈦酸溶液中，碳酸銨的加入量與偏鈦酸中硫酸的含量按照：硫酸/碳酸銨＝1：1.4的質(zhì)量比加入。加入的過程攪拌速度為20轉(zhuǎn)/min，在3min內(nèi)緩慢加入，以便使偏鈦酸夾雜的硫酸與碳酸銨充分反應(yīng)，加入完畢，繼續(xù)攪拌30min后，進(jìn)行板框壓榨，濾液進(jìn)行濃縮結(jié)晶得到硫酸銨產(chǎn)品。
濾餅進(jìn)入鋰源鑲嵌反應(yīng)與離子浸潤摻雜工序：將前工序?yàn)V餅采用離子水進(jìn)行打漿處理，配制到tio2濃度為600g/l，控制li2co3/h2tio3的摩爾比為1.3：1進(jìn)行充分打漿，攪拌轉(zhuǎn)速為40轉(zhuǎn)/min，攪拌45min后，加入多孔二氧化硅進(jìn)行離子摻雜，繼續(xù)攪拌30min后，板框壓榨，濾液反到前工序作為配制碳酸銨的溶液使用。多孔二氧化硅的加入量為tio2質(zhì)量的0.8％。
濾餅進(jìn)入煅燒與微粉工序：將前一工序的濾餅裝入高純石英托盤中，進(jìn)行煅燒烘干，要求由室溫升起，在400℃恒溫1小時(shí)后，繼續(xù)升溫至670℃后，恒溫6小時(shí)后，停止加熱，將溫度降至室溫后，采用超細(xì)微粉機(jī)進(jìn)行粉碎，粉碎至325目篩篩余0.2％，得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰。為了減少微量殘留鋰的影響，將制備得到的偏鈦酸鋰在煮沸的離子水中浸泡7小時(shí)后，烘干得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰最終產(chǎn)品。
實(shí)施例4
將硫酸法除雜后鹽處理前的偏鈦酸1kg進(jìn)行打漿計(jì)量，使其tio2的含量為400g/l，將預(yù)先配制的400g/l的碳酸銨溶液均勻的加入到偏鈦酸溶液中，碳酸銨的加入量與偏鈦酸中硫酸的含量按照：硫酸/碳酸銨＝1：1.3的質(zhì)量比加入。加入的過程攪拌速度為30轉(zhuǎn)/min，在3min內(nèi)緩慢加入，以便使偏鈦酸夾雜的硫酸與碳酸銨充分反應(yīng)，加入完畢，繼續(xù)攪拌30min后，進(jìn)行板框壓榨，濾液進(jìn)行濃縮結(jié)晶得到硫酸銨產(chǎn)品。
濾餅進(jìn)入鋰源鑲嵌反應(yīng)與離子浸潤摻雜工序：將前工序?yàn)V餅采用離子水進(jìn)行打漿處理，配制到tio2濃度為600g/l，控制li2co3/h2tio3的摩爾比為1.3：1進(jìn)行充分打漿，攪拌轉(zhuǎn)速為40轉(zhuǎn)/min，攪拌45min后，加入氯氧化鋯進(jìn)行離子摻雜，繼續(xù)攪拌30min后，板框壓榨，濾液反到前工序作為配制碳酸銨的溶液使用。氯氧化鋯的加入量為tio2質(zhì)量的1.0％。
濾餅進(jìn)入煅燒與微粉工序：將前一工序的濾餅裝入高純石英托盤中，進(jìn)行煅燒烘干，要求由室溫升起，在450℃恒溫1小時(shí)后，繼續(xù)升溫至700℃后，恒溫6小時(shí)后，停止加熱，將溫度降至室溫后，采用超細(xì)微粉機(jī)進(jìn)行粉碎，粉碎至325目篩篩余0.2％，得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰。為了減少微量殘留鋰的影響，將制備得到的偏鈦酸鋰在煮沸的離子水中浸泡8小時(shí)后，烘干得到氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰最終產(chǎn)品。
實(shí)施例1-4制備的氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰的質(zhì)量測試結(jié)果見表1，副產(chǎn)硫酸銨的質(zhì)量測試結(jié)果見表2。
表1實(shí)施例1-4制備的氚增殖陶瓷材料用偏鈦酸鋰的質(zhì)量水平
表2實(shí)施例1-4副產(chǎn)硫酸銨的質(zhì)量水平