非水解溶胶-凝胶法制备稳定氧化锆晶须及其机理研究

Whisker is defined as a single crystal fiber with a certain aspect ratio, whose strength is close to crystal theoretical value. Zirconia possesses excellent.advantages, such as high melting point, good toughness, high strength, resistance to abrasion and corrosion, and so on. Combining the advantages of both zirconia and whisker, stabilized-zirconia whisker is expected to significantly enhance the mechanical property of composite materials when used as reinforcement. It can not only be applied to toughen and strengthen zirconia ceramic composite material, but also be utilized as reinforcement of metal composite material which has the compatible expansion coefficient with zirconia. In this project, stabilized zirconia whisker will be prepared via non-hydrolytic sol-gel (NHSG) method for the first time. The micro-mechanism of synthesizing stabilized zirconia will be studied, the influence of.processing parameters on the growth of stabilized zirconia whisker will be investigated, the growth mechanism of stabilized zirconia whisker will be revealed, and finally the relationship will be determined among mechanical property of toughened and strengthened zirconia ceramic material,.whisker structure and whisker preparation process. A novel method will be created to prepare stabilized-zirconia whisker which is a new kind of inorganic whisker with high performance, and a key technology will be obtained to fabricate stabilized zirconia whisker via NHSG method with independent intellectual property rights, which has great potential value for practical application.

晶须通常是指具有一定长径比，其强度接近完整晶体理论值的一种单晶纤维材料。氧化锆具有熔点高、韧性好、强度大、抗磨损、耐腐蚀等优异性能。稳定氧化锆晶须具备氧化锆与晶须材料两者的优势，用作复合材料增强体，有望大幅提升复合材料的力学性能。它既可以应用于增韧补强氧化锆陶瓷复合材料，也可以用作膨胀性与之相匹配的金属复合材料的增强体。然而，目前国内外还未见制备稳定氧化锆晶须的研究报道。本项目首次采用非水解溶胶-凝胶（NHSG）法制备稳定氧化锆晶须，研究NHSG法合成稳定氧化锆的微观机制，探明工艺参数影响稳定氧化锆晶须生长的规律，揭示稳定氧化锆晶须的生长机理，确定稳定氧化锆晶须增韧补强氧化锆陶瓷的力学性能与晶须结构、晶须制备工艺之间的关系。本项目将开创一种制备稳定氧化锆晶须的全新方法，开发一个高性能无机晶须新品种，形成具有我国自主知识产权的NHSG法制备稳定氧化锆晶须的关键技术，具有巨大的潜在应用价值。

氧化锆具有熔点高、韧性好、强度大、抗磨损、耐腐蚀等优异性能。而晶须通常是指具有一定长径比，其强度接近完整晶体理论值的一种单晶纤维材料。稳定氧化锆晶须同时具备氧化锆与晶须材料两者的优势，用作复合材料增强体，有望大幅提升复合材料的力学性能，应用前景广阔。.本项目首先以NaVO3为熔盐，氟化物NaF为添加剂，选用回流工艺制备的凝胶粉为反应前驱体，采用非水解溶胶-凝胶(NHSG)工艺结合熔盐法制得平均长径比达18的单斜氧化锆晶须。其次，优选ZrOCl2•8H2O为反应前驱体，以Na3PO4•12H2O为熔盐，在添加或不添加氟化物NaF条件下，分别制得平均长径比达30和25的单斜氧化锆晶须。最后，采用溶剂热工艺制备反应前驱体，选择NaCl和Na3PO4为复合熔盐，制得长约1.8μm，厚60~80nm，主要暴露面为（001）晶面的单斜氧化锆纳米片。在此基础上，向复合熔盐中加入稳定剂CaF2，可以制得直径为70-100nm、长径比大于16，且沿[001]方向一维生长成的四方氧化锆晶须，实现了氧化锆晶体从二维到一维的转变。Ca2+部分取代Zr4+生成稳定的四方氧化锆晶格，而F-离子具有双重作用：一方面促进了ZrO2的溶解和传质，另一方面通过表面吸附，扩大了晶体三维生长的速率差，导致沿[001]方向一维生长形成四方氧化锆晶须。.此外，本项目还拓展了研究范围，开展了非水体系环境下制备莫来石晶须、C@ZrSiO4包裹黑色色料等低维陶瓷材料的研究，搭建了非水体系制备低维陶瓷氧化物的科技创新平台，为后续进一步的深入研究奠定了坚实的基础。.通过本项目的研究，在国内外核心期刊上发表学术论文16篇（其中13篇被SCI/EI收录）；获得4项授权国家发明专利，培养研究生13人。