非水解溶胶-凝胶法低温合成硅酸锆的机理及其超细化研究

硅酸锆具有高熔点、低膨胀、化学与相稳定性好、隔热与抗热震性能优良等特点，是高温结构陶瓷理想的候选材料。它不但广泛应用于陶瓷、耐火材料、铸造等传统工业，而且还用作氮化硅、碳化硅等基体及其纤维的保护涂层，并可用于原子核废料中钚和锕的处理。硅酸锆研究的中心问题是如何降低合成温度。传统固相法合成温度高达1300℃以上，常用的水解溶胶-凝胶法（HSG）最低为800℃，国外新发展的非水解溶胶-凝胶法（NHSG）最低为900℃。本课题组应用创新工艺通过NHSG法成功将合成温度降低至700℃，并获国家发明专利。本项目在此基础上进一步研究NHSG法合成硅酸锆的微观机制；探讨矿化剂对其低温合成的作用机理；揭示工艺参数对硅酸锆粉体超细化的影响规律。本项目不仅对指导NHSG法低温制备复合氧化物材料的研究具有重要的理论意义，而且所形成的自主创新技术在传统和先进陶瓷方面还具有很大的应用价值。

硅酸锆具有高熔点、低膨胀、化学与相稳定性好、隔热与抗热震性能优良等特点，是高温结构陶瓷理想的候选材料。它不但广泛应用于陶瓷、耐火材料、铸造等传统工业，而且还用作氮化硅、碳化硅等基体及其纤维的保护涂层，并可用于原子核废料中钚和锕的处理。硅酸锆研究的中心问题是如何降低合成温度。传统固相法合成温度高达1300℃以上，常用的水解溶胶-凝胶法（HSG）最低为800℃，国外新发展的非水解溶胶-凝胶法（NHSG）最低为900℃。本项目创新性地采用非水解溶胶-凝胶法，以工业纯无水ZrCl4、TEOS为反应前驱体，通过引入合适的矿化剂，在700℃成功低温合成了硅酸锆粉体，揭示矿化剂对硅酸锆低温合成的作用机理，弄清工艺参数影响硅酸锆合成的规律。同时，为解决硅酸锆超细粉体易团聚的问题，首次在非水解溶胶-凝胶法制备硅酸锆粉体的过程中引入无机盐作为分散介质，并最终制备出分散性好的硅酸锆超细粉体。此外，本项目以无水醋酸锆为锆源，采用辅助压力场下的非水解溶胶-凝胶法低温合成硅酸锆粉体，有效避免了腐蚀性气体HCl的排放，简化了工艺，并且进一步将硅酸锆的合成温度降低至650℃，这是目前国内外常压条件下合成硅酸锆的最低温度。不仅如此，本项目还拓宽了研究范围，采用NHSG法制备了硅酸锆包裹炭黑色料、钛酸铝超细粉体、莫来石晶须、氧化钛和钛酸铝薄膜材料，搭建了NHSG法制备低维陶瓷氧化物材料的科技创新平台。本项目取得多项具有自主知识产权的创新技术，申报国家发明专利5项，其中3项获得授权，在国内外核心期刊发表学术论文15篇。本项目的研究为低温合成硅酸锆粉体及其产业化提供了一条新途径，同时也为硅酸锆超细粉体在先进陶瓷材料领域的广泛应用奠定了坚实的基础。