СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF PRODUCING NANOCRYSTALLINE POWDER OF METAL OXIDES

Изобретение относится к технологии керамических материалов, в частности к способам получения порошков оксидов металлов.
Известны способы получения порошкообразного диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия посредством:
- соосаждения иттрийциркониевого оксалата щавелевой кислоты;
- соосаждения гидроксидов иттрия и циркония аммиаком с последующей кальцинацией гидроксидов;
- соосаждения гидроксидов иттрия и циркония аммиаком с последующим термическим гидролизом соосажденного геля и кальцинацией;
- термического гидролиза золя, состоящего из водного раствора оксихлорида циркония, хлорида иттрия и мочевины. После осаждения одним из приведенных способов гидроксид отмывали и подвергали ультразвуковому деагломерированию, после чего сушили [1].
К недостаткам можно отнести образование первичных частиц достаточно больших размеров (не менее 100 нм), кроме того, возможно образование агломератов синтезированных частиц, что приводит к необходимости дополнительной обработки порошка в виде измельчения механическими или химическими способами, что снижает производительность данных методов.
Также известен метод обратного осаждения: смесь растворов солей в заданном соотношении добавляли в раствор аммиака при интенсивном перемешивании. Скорость подачи растворов солей была подобрана таким образом, чтобы значение pH в реакторе на протяжении всего процесса осаждения была постоянная. Затем гелеобразный осадок фильтровали и высушивали при температуре 200°С [2].
К существенным недостаткам описанных способов следует отнести следующие:
- при использовании метода обратного осаждения большое количество раствора солей, попадая в раствор аммиака, локально снижают его pH до 2-3, что влечет за собой неравномерное распределение элементов в порошке, тем самым препятствует однородному распределению оксидов и не позволяет получить распределение по размерам частиц в нанодиапазоне, а следовательно, нарушается гомогенность конечного продукта;
- использование ультразвука после образования геля не способствует полному деагломерированию порошка, что отрицательно сказывается на механических свойствах конечного продукта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения порошка диоксида циркония для изготовления керамики [3], включающий осаждение гидроксида циркония в ультразвуковом поле с частотой 20-50 кГц не менее 5 минут при перемешивании с последующей сушкой и прокаливанием, причем перед прокаливанием высушенный гидроксид измельчают в течение 0.5-1.0 ч.
Недостатками прототипа являются:
- необходимость одновременного облучения ультразвуковыми волнами большого объема жидкости, что требует больших энергетических затрат и, как следствие, снижает производительность процесса;
- локально в раствор аммиака поступает большой объем раствора соли, что значительно влияет на изменение pH раствора аммиака и, следовательно, препятствует однородному распределению частиц, что в свою очередь нарушает гомогенность конечного продукта и снижает производительность;
- для получения высокодисперсного порошка оксида металла необходимо проводить дополнительную операцию - измельчение высушенного гидроксида в течение 0.5-1.0 ч (пределы продолжительности измельчения диктуются типом мельницы).
Эти недостатки устраняются в предлагаемом изобретении.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения нанокристаллических порошков оксидов металлов для последующего изготовления прочной керамики.
При реализации предлагаемого изобретения достигается получение порошка оксидов металлов с дисперсностью частиц наноразмерного диапазона, увеличение однородности состава порошка, что влечет за собой увеличение прочности изделий из него. Технологически предлагаемый способ более прост - сокращается количество операций, увеличивается производительность процесса получения порошка.
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения нанокристаллического порошка оксидов металлов включает получение гидроокисей металлов методом обратного осаждения, их сушку и прокаливание. При этом для предотвращения локального изменения pH раствора осадителя метод обратного осаждения включает использование ультразвуковой обработки раствора солей металлов в распылительной форсунке, через которую проходит упомянутый раствор непосредственно перед взаимодействием с раствором осадителя, при этом осуществляют ультразвуковую обработку раствора солей металлов, обеспечивающую диспергирование упомянутого раствора до капель размером менее 1.0 мкм.
Ультразвуковую обработку раствора солей металлов осуществляют через УЗК-форсунку, с частотой колебаний 22-44 кГц.
3
Предотвращение локального изменения pH раствора осадителя осуществляют в объеме менее 1 мм.
Прокаливание высушенных смесей гидроокисей металлов осуществляют при температурах 150-750°С в течение 1-5 часов.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
При разработке технического решения авторами изобретения использовался метод обратного осаждения, который заключается в добавлении раствора смесей солей (азотнокислых или хлорных) металлов в раствор осадителя с последующим получением гидроокисей металлов. Для предотвращения локального изменения pH раствора осадителя, а следовательно, увеличения однородности по элементному составу получаемых гидроокисей металлов, перед добавлением в раствор осадителя раствор солей металлов подвергается воздействию УЗК посредством распылительной форсунки, через которую его пропускают.
В процессе совместного осаждения существует необходимость сохранения pH в любом малом объеме жидкости раствора осадителя. Это достигается тем, что растворы смесей солей металлов попадают в раствор осадителя через распылительную форсунку небольшими объемами в виде «парового облака», состоящего из капель размерами менее 1.0 мкм. Таким образом, количество раствора солей металлов, вводимых в раствор осадителя, настолько мало, что оно практически не изменяет pH осадителя. Это позволит получать одновременно несколько оксидов и, в конечном счете, приведет к однородному составу получаемых гидроокисей и окисей металлов.
Ультразвуковую обработку раствора солей металлов осуществляют через УЗК-форсунку, обеспечивающую частоту колебаний 22-44 кГц. Этот диапазон частоты колебаний достаточен для получения диспергирования капель раствора размерами менее 1.0 мкм.
3
Ультразвуковую обработку раствора солей металлов осуществляют до достижения размеров капель менее 1.0 мкм, что позволяет сохранить при взаимодействии его с раствором осадителя pH последнего постоянным в объеме не более 1 мм.
Прокаливание высушенных смесей гидроокисей металлов осуществляют при температуре 350-750°С в течение 1-5 часов, в результате чего частицы образующихся оксидов металлов имеют размер не более 0,05 мкм и не происходит их агломерирование.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1:
уд
Раствор оксихлорида циркония, содержащий 45 г/л циркония заливают в распылительную форсунку, где он подвергается воздействию ультразвука, при частоте колебаний 22 кГц, после чего в качестве «парового облака» с размером капель не более 1.0 мкм вводится в водный раствор аммиака концентрации 24.8% и интенсивно перемешивается. Описанный процесс позволит сохранять локальный pH раствора аммиака неизменным в объеме не более 1 мм, т.к. капли раствора соли, прошедшие через ультразвуковую обработку, настолько малы (<1.0 мкм), чтобы изменить его. Это условие значительно повышает производительность процесса осаждения. Затем полученную гидроокись высушивают при комнатной температуре до образования отдельных частиц (порошинок) и прокаливают при температуре 350°С в течение 5 часов. Полученный порошок не агломерируется и имеет средний размер частиц 0.02 мкм. Измерение размера частиц производили методом случайных секущих [4] по изображениям порошков, полученных на просвечивающее электронном микроскопе Philips CM 30 (ПЭМ), и по величине удельной поверхности (S) [5], определенной по методу Брунауэр-Эммит-Теллер (БЭТ) [6].
Пример 2:
3
Азотнокислые растворы солей циркония и иттрия заливают в распылительную форсунку, где они подвергаются воздействию ультразвука, при частоте колебаний 30 кГц, после чего в качестве «парового облака» с размером капель не более 1.0 мкм вводятся в водный раствор аммиака концентрации 26.6% и интенсивно перемешиваются. Описанный процесс позволяет сохранять локальный pH раствора аммиака неизменным в объеме не более 1 мм.
2
3
Полученные гидроокиси подвергают сушке при комнатной температуре и последующей прокалке при температуре 500°С в течение 2 часов. Далее проводят микрорентгеноспектральный анализ, полученных порошков с целью определения фазового состава. Исследования показывают, что локальная концентрация YO в порошке составляет 3%±0.1%, в то время как без применения УЗК она составляет 3%±2%.
Пример 3:
3
Азотнокислые и хлорные растворы солей циркония, иттрия и алюминия заливают в распылительную форсунку, где они подвергаются воздействию ультразвука, при частоте колебаний 44 кГц, после чего в качестве «парового облака» с размером капель не более 1.0 мкм вводятся в водный раствор аммиака концентрации 24.2% и интенсивно перемешиваются. Описанный процесс позволяет сохранять локальный pH раствора аммиака неизменным в объеме не более 1 мм.
2
2
3
2
3
Полученную гидроокись подвергают сушке при комнатной температуре и последующей прокалке при температуре 750°С с изотермической выдержкой в течение 1 часа. После чего полученный ультрадисперсный порошок состава ZrO - 5% (мол.) YO - 20% (мол.) AlO исследуют на структурно-фазовый состав, морфологию и размер частиц.
2
Из полученного порошка прессуют образцы при давлении 2 т/см, затем их спекают при температуре 1400°С в течение 1 часа и далее проводят испытания образцов на определение предела прочности на изгиб. Исследования показывают, что предел прочности на изгиб образцов составляет 1400 МПа, в то время как предел прочности на изгиб образцов того же состава, спеченного при той же температуре, но полученных без ультразвукового диспергирования реагентов в осадитель, составляет 700 МПа.
Пример 4:
4
3
Водный раствор HfCl заливают в распылительную форсунку, где он подвергается воздействию ультразвука, при частоте колебаний 32 кГц, после чего в качестве «парового облака» с размером капель не более 1.0 мкм вводится в водный раствор гексаметилентетрамина (уротропин), нагретого до температуры 70°С при интенсивном перемешивании. Описанный процесс позволит сохранять локальный pH раствора гексаметилентетрамина неизменным в объеме не более 1 мм, т.к. капли раствора соли, прошедшие через ультразвуковую обработку, настолько малы (<1.0 мкм), чтобы изменить его. Процесс образования осадка начинается через 5-10 минут с момента начала реакции, при локальном мольном соотношении гафния к гексаметилентетрамину, равном 1:(15-20), и длится около 1 часа.
уд
Затем полученную гидроокись высушивают при комнатной температуре до образования отдельных частиц (порошинок) и прокаливают при температуре 700°С в течение 2 часов. Полученный порошок представляет собой мягкие агломераты, средний размер которых составляет 1 мкм, состоящие из первичных частиц со средним размером 0.025 мкм (данные ПЭМ и S по методу БЭТ).
Пример 5:
3
Водный раствор оксинитрата церия заливают в распылительную форсунку, где они подвергаются воздействию ультразвука, при частоте колебаний 25 кГц, после чего в качестве «парового облака» с размером капель не более 1.0 мкм вводятся в водный раствор аммиака концентрации 22% и интенсивно перемешиваются. Описанный процесс позволяет сохранять локальный pH раствора аммиака неизменным в объеме не более 1 мм.
2
уд
Полученную гидроокись подвергают сушке при комнатной температуре и последующей прокалке при температуре 500°С с изотермической выдержкой в течение 1 часа. Средний размер частиц синтезируемого порошка CeO составил 0.03 мкм (данные ПЭМ и S по методу БЭТ).
Пример 6:
3
3
3
Свежеприготовленный водный раствор соли Al(NO), содержащий 18 г/л алюминия, заливают в распылительную форсунку, где он подвергается воздействию ультразвука, при частоте колебаний 40 кГц, после чего в качестве «парового облака» с размером капель не более 1.0 мкм вводятся в водный раствор карбамида, концентрации 22%, нагретого до 97°С, и интенсивно перемешиваются. Процесс образования осадка длится в течение 4 часов с момента начала реакции при мольном соотношении алюминия к карбамиду, равном 1:(2,5-3). Описанный процесс позволяет сохранять локальный pH раствора карбамида неизменным в объеме не более 1 мм.
2
3
уд
Полученную гидроокись подвергают сушке при комнатной температуре и последующей прокалке при температуре 400°С с изотермической выдержкой в течение 4 часов. Средний размер частиц синтезируемого порошка AlO составил 0.015 мкм (данные ПЭМ и S по методу БЭТ).
2
2
3
Из полученного порошка прессуют образцы при давлении 2.5 т/см, затем их спекают при температуре 1200°С в течение 1 часа, в результате чего образуется α-фаза AlO.
Источники информации
1. Васылькив О.О., Сака Й., Скороход В.В. Особенности получения наноразмерных порошков тетрагонального диоксида циркония, стабилизированного иттрием / УДК 621.762:546-31 / Порошковая металлургия, 2005, № 5/6, 28-41 с.
2
2
3
2
2. Морозова Л.В., Васильева Е.А. Синтез нанокерамики в системе ZrO - YO - CeO / УДК 666.3-121:546.831/.641/.655 / Огнеупоры и техническая керамика, 2004, № 11, 25-27 с.
3. Патент РФ № 2058939, C01G 25/02, опубл. 27.04.1996.
4. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография / Изд-во «Металлургия», 3-е изд., 1970. 376 с.
5. Алымов М.И. Порошковая металлургия нанокристаллических материалов / Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН. - М.: Наука, 2007. - 169 с.
6. С.Грег, К.Синг. Адсорбция, удельная поверхность, пористость: Пер. с англ. 2-е изд. - М.: Мир, 1984 - 306 с.