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通过异相包覆方法提高被包覆体与基体的结合特性、或提高被包覆体抗环境侵蚀能力是材料发展中经常遇到的难题。本论文主要研究具有包覆结构的复合陶瓷粉体的软化学制备工艺及其在陶瓷色料方面的应用。软化学法是指直接通过反应原料的液相混合使各元素高度分散在较低的反应温度和较温和的化学环境下逐步进行化学反应以制备纳米粉体的工艺。本论文的工作,突破了陶瓷色料粉体制备的传统思维模式,系统研究了以软化学工艺直接将色料粉体包覆于氧化锆及硅酸锆等热稳定性较高材料的过程和机理,以期能开发出一种具有普遍适用性的包覆型陶瓷色料的制备工艺。
具体米说,本论文的研究结论总结起来有以下几点:
1)开发了完全采用无机盐为原料的新型溶胶凝胶工艺硅酸锆包覆色料的制备工艺,在矿化剂MgF2的作用下,1050℃合成出硅酸锆包覆的炭黑和铁红色料;所得炭黑和铁红色料在1120℃快烧的釉料之中分别呈灰色和粉红色;实验还对硅酸锆合成的机理进行了分析,认为sol-gel过程中形成的Zr-O-Si键有效地降低了硅酸锆合成温度,MgF2的催化原理则是形成的硅的氟化物促进了硅酸锆的合成。
2)在氧化锆包覆方面,首次以氧氯化锆在酸性的水溶液中强制水解制备出超薄的氧化锆无定型层包覆的氧化铁粉体。虽然该方法制备的无定型氧化锆包覆层不稳定,但是为无机锆盐溶液的水解包覆提供了一种新的思路。
3)以醇水溶液加热法制备出氧化锆包覆的氧化铁粉体,且该包覆粉体在热处理之后形成四方相氧化锆包覆的粉体,酸侵蚀实验发现该包覆粉体具有很好的抗酸侵蚀性。
4)系统研究了硫酸锆水溶液的水解,制备出化学组成为Zr2(OH)6SO4的氧化锆前驱体包覆的氧化铁复合粉体,通过对其水解过程的热力学和动力学过程的分析,给出了异相成核机理下的过饱和度区域和相关热力学和动力学参数,并实现了对氧化锆包覆层的厚度和结晶态的控制。此外,论文还对锆的无机物溶液的水解机理和表面活性剂在包覆中的作用进行了讨论,该结果为氧化锆的包覆提供了普适的解决方案,为下一步制备两层包覆结构提供了理论和实验基础。
5)以水热法直接制备了结晶态氧化锆包覆氧化铁的纳米粉体,并通过多次操作实现了对包覆层厚度的控制;将该包覆粉体在浓盐酸中处理之后,即可制备结晶态氧化锆的中空球。
6)以Stǒber工艺在氧化锆包覆氧化铁粒子的表面再次包一层氧化硅,形成了Fe2O3@ZrO2@SiO2*的双层包覆结构,且两个包覆层的厚度均可控,通过添加矿化剂在850℃合成硅酸锆包覆的氧化铁粉体。该硅酸锆包覆色料在1120℃的高温釉料中能很好的显粉红色。
本论文给出的以氧化铁色料粉体作为被包覆粒子的软化学包覆工艺具有较强的适用性,因此所给出的相关工艺可以推广至制备具有多功能或者多种色泽的包覆结构粉体。