一種二氧化錳摻雜的氧化鉿陶瓷材料及其制備方法

專利名稱：一種二氧化錳摻雜的氧化鉿陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及氧化鉿基陶瓷技術領域，尤其是涉及一種二氧化錳摻雜的 氧化鉿陶瓷材料及其制備方法。
背景技術：
氧化鉿(Hf02)材料在催化技術、氧探測器、高溫燃料電池以及氧化 物半導體裝置中的柵介質、光導裝置中有著廣泛的應用潛力。氧化鉿(HfOJ 也是一種高溫結構陶瓷材料，熔點高達3173K，具有與氧化鋯相似的晶體 結構和離子電導性能，但與后者相比，Hf02材料在高溫下的相變溫度比Zr02 高，因此Hf02材料具有更好的抗熱震性能和更高的化學穩定性。在大氣環 境下，氧化鉿存在三種同質異形體，即單斜晶系(m-Hf02)、四方晶系(t-Hf02) 和立方晶系(c-Hf02)。純的Hf02在燒結后的冷卻過程中會發生四方相到單 斜相的馬氏體相變，同時伴隨有體積變化，導致制備的材料開裂，因而限 制了氧化鉿材料在工程上的應用。
單一的氧化鉿基材料很難得到大量應用，在Hf02材料中摻雜不同離 子，在高溫燒結時將形成四方相或立方相固熔體，在冷卻時可以抑制四方 相向單斜相的轉變，這樣在室溫時就可以獲得四方相或者立方相氧化鉿，
優化了材料的性能。特別是對于半導體中的柵極材料，理論計算表明，雖 然單斜相的介電常數較非晶態氧化鉿的介電常數小，但是四方相的介電常
數可以高達70,因此穩定高溫四方相成為氧化鉿材料研究的重要方向。重
稀土離子Dy3+、 Yl^和Y"是最好的摻雜物。但由于地殼中Hf02含量很少
Uug/g),價格比較昂貴，因此應用并不廣泛，相應的研究很少
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一 種二氧化錳捧雜的氧化鉿陶瓷材料及其制備方法，其制備工藝簡明、操作 簡便且成本低，同時所制備的氧化鉿陶瓷材料也具有良好的穩定性和導電率。
為解決上述技術問題，本發明釆用的技術方案是 一種二氧化錳摻雜的
四方氧化鉿陶瓷材料，其特征在于由摩爾百分比為20%~50%的摻雜物和 摩爾百分比為50%~80%的氧化鉿Hf02組成，所述摻雜物為過渡金屬氧化 物二氧化錳Mn02。
制備一種二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料的方法，其特征在于該 方法包括以下步驟
步驟一、按摩爾百分比分別稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02;
步驟二、將稱量好的氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的粉末均倒入研缽進 行充分研磨混合，制得混合粉料，其研磨混合時間為2-5h;
步驟三、采用壓力機在8~10MPa的壓力下將所述混合粉料壓制成坯
料片；
步驟四、將所述坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進行高溫燒
結，獲得高溫燒結片高溫燒結時，所述高溫管式爐的升溫速率不大于300 。C/h,燒結溫度為1300 ~ 1400。C且保溫時間為12~24h;
步驟五、隨爐冷卻將所述高溫燒結片隨爐冷卻至室溫后，即獲得二 氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料。
本發明與現有技術相比具有以下優點1、以氧化鉿為基體， 一種過 渡金屬氧化物二氧化錳作為摻雜物，釆用固態燒結法制備單一摻雜物摻雜 的四方氧化鉿陶瓷，突破了傳統的利用稀土氧化物來摻雜氧化鉿的局限， 釆用過渡金屬氧化物來制備穩定氧化鉿，為開發穩定氧化鉿技術提供了新 的思路。2、合成工藝技術條件及操作方法簡明，具有準確、高效、反應 條件易控制、反應充分等特點。3、制備的二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶 瓷材料具有良好的穩定性。綜上所述，本發明釆用過渡金屬氧化物二氧化錳作為摻雜物制備四方相氧化鉿材料，制備工藝簡明、操作簡便且成本低， 具有高效、反應條件易控制等特點；同時，經本發明制備的氧化錳摻雜的 四方氧化鋯陶瓷材料具有良好的穩定性和導電率，是一種優異的結構陶瓷 材料和固體電解質材料，有利于拓展氧化鉿材料的研究領域。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發明的制備工藝流程圖。
具體實施例方式
實施例1
如圖1所示，本發明所述的二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料由摩
爾百分比為20°/。~ 50%的摻雜物和摩爾百分比為50%~80%的氧化鉿Hf02組 成，所述摻雜物為過渡金屬氧化物二氧化錳Mn02。本實施例中，氧化鉿Hf02 和二氧化錳Mn02的摩爾百分比分別為75%和25%。
制備上述二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料的方法，包括以下步
驟
步驟一、按摩爾百分比分別稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02。
本實施例中，由于氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的摩爾百分比為75%和 25%,則將分析純的Hf02和Mn02按照Hf。.75MnQ.2502_s的化學計量比進行稱量。
步驟二、將稱量好的氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的粉末均倒入研缽進 行充分研磨混合，制得混合粉料，其研磨混合時間為2-5h。
本實施例中，研磨用的研缽為瑪瑙研缽，實際操作中，將稱量好的Hf02 和Mn02粉末倒入瑪瑙研缽中后，進行充分的手工混合研磨，制得混合粉料。
步驟三、釆用壓力機在8~10MPa的壓力下將所述混合粉料壓制成坯 料片。
本實施例中，釆用壓力機在8MPa的壓力下將所述混合粉料壓制成尺寸為50隱x 5隱x 2mm的長方形坯料片。所述坯料片為矩形或圓形片材。
步驟四、將所述坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進行高溫燒 結，獲得高溫燒結片高溫燒結時，所述高溫管式爐的升溫速率不大于300 °C/h,燒結溫度為1300 - 140(TC且保溫時間為12~24h。
本實施例中，所述高溫管式爐的升溫速率為30(TC/h，燒結溫度為1300 。C且保溫時間為12h。
步驟五、隨爐冷卻將所述高溫燒結片隨爐冷卻至室溫后，即獲得二 氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料(成品)。
本實施例中，將所述高溫燒結片隨爐冷卻后，所得到的四方氧化鉿陶 瓷材料經XRD檢測為單一四方相，其在氧化性氣氛(空氣)和還原性氣氛 (Ar-H2氣氛)下具有良好的穩定性。
實施例2
本實施例中，與實施例l不同的是所需制備的二氧化錳摻雜的四方氧 化鉿陶瓷材料中，氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的摩爾百分比分別為70%和 30%。
相應地，制備所述二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料時，步驟一中 稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02時，由于氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的 摩爾百分比為70%和30%,則將分析純的Hf02和Mn02按照Hf。.7Mn。.302—s的化 學計量比進行稱量；步驟三中采用壓力機在10MPa的壓力下將經混合研磨 后制得的混合粉料壓制成尺寸為50隱x5隨x3腿的長方形坯料片；步驟四中 將壓制成的坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進行高溫燒結時，所 述高溫管式爐的升溫速率為300°C/h，燒結溫度為140(TC且保溫時間為 12h。本實施例中其余工藝步驟以及工藝參數均與實施例l相同。本實施 例中，將經高溫燒結所獲得的高溫燒結片隨爐冷卻后，所得到的四方氧化 鉿陶瓷材料經XRD檢測為單一四方相，其在氧化性氣氛(空氣)下具有良好 的穩定性。
實施例3本實施例中，與實施例l不同的是所需制備的二氧化錳摻雜的四方氧 化鉿陶瓷材料中，氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的摩爾百分比分別為50%和 50%。
相應地，制備所述二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料時，步驟一中 稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02時，由于氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02的 摩爾百分比為50%和50%,則將分析純的Hf02和Mn02按照Hf。.5Mn。.502-s的化 學計量比進行稱量；步驟三中釆用壓力機在lOMPa的壓力下將經混合研磨 后制得的混合粉料壓制成尺寸為02O咖x2誦的圓形坯料片；步驟四中將壓 制成的坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進行高溫燒結時，所述高 溫管式爐的升溫速率為200°C/h，燒結溫度為130(TC且保溫時間為16h。 本實施例中其余工藝步驟以及工藝參數均與實施例l相同。本實施例中， 將經高溫燒結所獲得的高溫燒結片隨爐冷卻后，所得到的四方氧化鉿陶瓷 材料經XRD檢測為單一四方相，其在還原性氣氛(Ar-H2氣氛)下具有良好的穩定性。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是 根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構 變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。
權利要求
1. 一種二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料，其特征在于由摩爾百分比為20％～50％的摻雜物和摩爾百分比為50％～80％的氧化鉿HfO2組成，所述摻雜物為過渡金屬氧化物二氧化錳MnO2。
2. 制備權利要求l所述的一種二氧化錳摻雜的四方氧化鉿陶瓷材料的 方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、按摩爾百分比分別稱量氧化鉿Hf02和二氧化錳Mn02; 步驟二 、將稱量好的氧化鉿Hf 02和二氧化錳Mn02的粉末均倒入研缽進 行充分研磨混合，制得混合粉料，其研磨混合時間為2-5h;步驟三、釆用壓力機在S 10MPa的壓力下將所述混合粉料壓制成坯料片；步驟四、將所述坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進行高溫燒結，獲得高溫燒結片高溫燒結時，所述高溫管式爐的升溫速率不大于300 °C/h,燒結溫度為1 300 ~ 140(TC且保溫時間為12~24h;步驟五、隨爐冷卻將所述高溫燒結片隨爐冷卻至室溫后，即獲得二 氧化錳換雜的四方氧化鉿陶瓷材料。
全文摘要
本發明公開了一種二氧化錳摻雜的氧化鉿陶瓷材料及其制備方法，其氧化鉿陶瓷材料由摩爾百分比為20％～50％的MnO₂和摩爾百分比為50％～80％的HfO₂組成；制備所述氧化鉿陶瓷材料的方法包括以下步驟一、按摩爾百分比分別稱量HfO₂和MnO₂；二、將稱量好的HfO₂和MnO₂的粉末均倒入研缽進行充分研磨混合制得混合粉料；三、用壓力機在8～10MPa的壓力下將混合粉料壓制成坯料片；四、將坯料片放入高溫管式爐中且在氬氣氣氛下進行高溫燒結獲得高溫燒結片；五、將高溫燒結片隨爐冷卻至室溫后獲得成品。本發明制備工藝簡明、操作簡便且成本低，同時所制備的氧化鉿陶瓷材料也具有良好的穩定性和導電率。
文檔編號C04B35/622GK101508565SQ20091002184
公開日2009年8月19日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者馮建情, 盧亞鋒, 李成山, 白利鋒, 果 閆 申請人:西北有色金屬研究院