系列致密導電氧化物陶瓷及其制備方法
【專利說明】
法
技術領域
[0001]本發明涉及導電氧化物陶瓷的制備技術領域，具體涉及一種(SivxLnx)2T14系列的致密導電氧化物陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002]陶瓷材料因其具有硬度高、耐腐蝕、特殊的光學、熱學等性質，因而在石化行業被廣泛使用，然而一般的陶瓷材料是靜電非導體，由于摩擦等因素會積聚電荷產生較高靜電壓，在一定條件下發生靜電放電時，對生產不利甚至造成嚴重的火災、爆炸事故，使靜電問題成為困擾石化行業生產過程的突出技術難題。國標GB 12158-2006中明確規定，生產工藝設備應采用靜電導體或靜電亞導體，避免采用靜電非導體。新安全生產法中也確立了“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產職責，因此，盡量使用靜電導體/導電材料是石化行業提高本質安全水平，從源頭防范靜電事故的必要措施。
[0003]Sr2T14是一種具有層狀鈣鈦礦結構的寬帶隙氧化物半導體，由絕緣鹽巖結構SrO單元層和鈣鈦礦結構31*1103單元層沿c軸方向堆垛排列，表現出天然準二維超晶格結構。特殊的界面Sr0/SrTi03層可以增強對聲子的散射，使Sr 2Ti04具有較低的熱導率。通過三價稀土元素離子摻雜替代二價Sr2+，實現Sr2T1J^ η型導電性，制備稀土元素摻雜Sr 2Ti04導電陶瓷，具有物理性質穩定，耐酸堿腐蝕、構成元素無毒、原料豐富等優點，適用于石化行業防靜電材料、高溫溫差發電材料、熱敏探測傳感器材料和阻燃隔熱材料方面，具有廣闊的應用前景。Sr2T14陶瓷的性能與其晶粒尺寸和致密度有關；晶粒尺寸小有利于增強聲子在晶界界面的散射，抑制熱導率；致密度高有利于降低氣孔對電子的散射，提高導電性。一般利用傳統的固相反應制備氧化物陶瓷，但由于氧化物陽離子擴散速率小，固相反應進程慢，制備過程中燒結溫度高(燒結溫度> 1450°C )，保溫時間長，難以獲得單相產物，且造成陶瓷晶粒尺寸大，性能差；燒結過程中能耗較高；由于無壓燒結，陶瓷致密度低。因此，制備晶粒尺寸小、致密度高的稀土摻雜31*21104陶瓷是個難點。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種致密導電氧化物陶瓷及其制備方法，該氧化物陶瓷為(SivxLnx) 2Ti04系列，其首先通過液相共沉淀法合成前驅體沉淀物，然后將前驅體沉淀物利用放電等離子燒結快速成型，制備得到的氧化物陶瓷可導電，滿足國標要求，并且其致密度大于98%，室溫電阻率為1(Γ5Ω.ι?量級。
[0005]本發明的任務之一在于提供一種(SivxLnx)2T14系列陶瓷。
[0006]一種致密導電氧化物陶瓷，所述陶瓷的分子式為(SrHLrO2T14，其中，X為0-0.08，Ln為鑭系元素，所述陶瓷的致密度大于98%，室溫電阻率為10_5Ω.m量級。
[0007]上述致密導電氧化物陶瓷所需原料為:選用硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦為原料提供金屬離子，選用草酸作為沉淀劑。
[0008]本發明的任務之二是提供上述致密導電氧化物陶瓷的制備方法，其包括以下步驟:
[0009]a、分別稱取一定量的硝酸鍶、鑭系硝酸鹽，并依次將二者加入到去離子水中，滴加適量的稀硝酸使溶液保持酸性，充分攪拌至溶液澄清；
[0010]b、稱取適量的硫酸鈦，將其加入至步驟a所得澄清溶液中，磁力攪拌10_30min使二者均勻混合；
[0011]C、向步驟b所得混合后的溶液中加入草酸，滴加草酸的同時保持攪拌，待沉淀完全后得前驅體沉淀物，將所述前驅體沉淀物進行離心分離、干燥得沉淀物；
[0012]d、將步驟c干燥后的沉淀物放入馬弗爐煅燒，得陶瓷母粉；
[0013]e、將所得陶瓷木粉放入SPS石墨磨具中，利用SPS燒結爐燒結制得陶瓷塊體，即得致密導電氧化物陶瓷。
[0014]作為本發明的一種優選方案，步驟c中，混合后的溶液中金屬離子與草酸的摩爾比例為I: 3-10，離心分離的轉速為10000-12000r/min。
[0015]作為本發明的另一種優選方案，步驟d中，煅燒溫度為600-900°C，保溫0.5_2h。
[0016]優選的，步驟e中，SPS石墨磨具的規格為Φ20-Φ50，SPS燒結爐燒結過程中，升溫速率控制在50-150°C /min，保溫溫度為1350_1450°C，保溫時間2_25min，壓力10-13KN，
選用高純氬氣保護。
[0017]本發明所帶來的有益技術效果:
[0018]本發明提出了一種(SivxLnx)2T14致密導電陶瓷及其制備方法，其在原料的選擇方面，選用硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦為原料提供金屬離子，選用草酸作為沉淀劑，相比現有技術，本發明原料方便易得，并且成本低廉，通過硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦提供金屬離子，制備得到的陶瓷其致密度大于98%，室溫電阻率為10_5Ω.πι量級；在工藝方面，本發明通過加入草酸作為沉淀劑，沉淀得到前驅體沉淀物，并控制工藝參數對該前驅體沉淀物進行離心分離、干燥，最后將干燥后的沉淀物煅燒，并采用SPS燒結爐燒結制得陶瓷塊體，陶瓷燒結只需40分鐘左右，本發明制備方法得到的致密(SivxLnx)2T14陶瓷為單相，且結晶性很好；本發明制備方法只需要一步燒結，室溫電阻率在10_5Ω.m量級。
【附圖說明】
[0019]下面結合附圖對本發明做進一步清楚、完整的說明:
[0020]圖1為本發明目標產物(Sra95Cea %) 21104陶瓷表面經打磨光滑后測得的XRD衍射圖譜以及 SrT14標準圖譜(JCPDS card N0.39-1471)；
[0021]圖2為本發明目標產物(Sra95Ceatl5)2T1^瓷斷面SEM照片；
[0022]圖3為本發明目標產物(Sra95Ceatl5)2T14陶瓷的電阻率P隨測試溫度T的變化關系圖。
【具體實施方式】
[0023]本發明公開了一種(SivxLnx)2T14致密導電陶瓷及其制備方法，為了使本發明的優點、技術方案更加清楚、明確，下面結合具體實施例對本發明做進一步清楚、完整的說明。
[0024]本發明所用主要原料硝酸鍶、鑭系硝酸鹽、硫酸鈦和草酸，均可通過商業渠道購買得到。
[0025]實施例1:
[0026](SivxLnx)2T14中，X選定為0.05，Ln鑭系元素選定為Ce，利用共沉淀法結合放電等離子體燒結制備(Sra95Cea J2T14陶瓷的方法，具體步驟如下:
[0027]步驟1、按化學分子式(Sra95Ceatl5)2T14K例稱取0.025mol硝酸鈰和0.475mol硝酸鍶加入到去離子水中，并滴加適量稀硫酸，使溶液呈酸性，充分攪拌至澄清溶液；
[0028]步驟2、根據化學分子(Sra95Ceatl5)2T14比例稱取適量硫酸鈦加入到步驟⑴中，磁力攪拌20min，均勾混合；
[0029]步驟3、向步驟2溶液中加入草酸(C2H2O4.2Η20)，同時不斷攪拌，得前驅體沉淀物，沉淀完全后，通過離心機分離沉淀、干燥得沉淀產物，控制所有金屬陽離子與草酸的摩爾比例為1: 4，離心機分離沉淀轉速為12000轉/分；
[0030]步驟4、對步驟3沉淀物產物干燥完畢后，將其放入馬弗爐中煅燒，去除雜質，煅燒溫度850°C，保溫lh，獲得陶瓷母粉；
[0031]步驟5、將步驟4得到的陶瓷母粉放入Φ20的SPS石墨磨具中，利用SPS燒結爐燒結獲得陶瓷塊體，燒結過程中，控制SPS燒結參數升溫速率100°C /min,保溫溫度1400°C，保溫時間3min，壓力選擇13KN，高純氬氣保護。
[0032]本實施例制備得到的(Sra95Ceatl5)2T14,其表面經打磨光滑后，利用PhlipsX’Pert型X-ray衍射儀測得的XRD衍射圖譜，如圖1所示，從XRD圖譜可知，所得產物為單相結構；
[0033]將該陶瓷斷面利用場發射掃描電子顯微鏡觀測的SEM照片如圖2所示，圖2中顯示陶瓷斷面晶粒上無明顯孔洞，表明致密結構；利用熱點測量儀(ZEM-3(M10)，ULVAC-RIKO，Inc.)測試(Sra95Ceatl5) 2Ti04陶瓷的電阻率P隨測試溫度T的變化關系，如圖3所示。
[0034]實施例2:
[0035]與實施例1不同之處在于，步驟I中鑭系硝酸鹽為硝酸釹，步驟3中控制所有金屬陽離子與草酸的摩爾比例為1: 3，離心機分離沉淀轉速為10000轉/分。
[0036]實施例3:
[0037]與實施例1不同之處在于:步驟3中控制所有金屬陽離子與草酸的摩爾比例為1: 10，步驟4中煅燒溫度為900°C，保溫2h，獲得陶瓷母粉；步驟5中將陶瓷母粉放入Φ 50的SPS石墨磨具中，燒結過程中，控制SPS燒結參數升溫速率150°C /min，保溫溫度1450°C，保溫時間3min，壓力選擇10KN，高純氬氣保護。
[0038]實施例4:
[0039]與實施例1不同之處在于:步驟5中將陶瓷母粉放入Φ40的SPS石墨磨具中，燒結過程中，控制SPS燒結參數升溫速率80°C /min，保溫溫度1350°C，保溫時間25min，壓力選擇10KN，高純氬氣保護。
【主權項】
1.一種致密導電氧化物陶瓷，其特征在于:所述陶瓷的分子式為(Sr PxLrO2T14，其中，X為0-0.08，Ln為鑭系元素，所述陶瓷的致密度大于98%，室溫電阻率為10_5Ω.m量級。2.根據權利要求1所述的致密導電氧化物陶瓷，其特征在于:所需原料包括硝酸鍶、鑭系硝酸鹽、硫酸鈦和草酸，其中，選用硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦提供金屬離子，選用草酸作為沉淀劑。3.根據權利要求1或2所述的致密導電氧化物陶瓷的制備方法，其特征在于，依次包括以下步驟: a、分別稱取一定量的硝酸鍶、鑭系硝酸鹽，并依次將二者加入到去離子水中，滴加適量的稀硝酸使溶液保持酸性，充分攪拌至溶液澄清； b、稱取適量的硫酸鈦，將其加入至步驟a所得澄清溶液中，磁力攪拌10-30min使二者均勻混合； c、向步驟b所得混合后的溶液中加入草酸，滴加草酸的同時保持攪拌，待沉淀完全后得前驅體沉淀物，將所述前驅體沉淀物進行離心分離、干燥得沉淀物； d、將步驟c干燥后的沉淀物放入馬弗爐煅燒，得陶瓷母粉； e、將所得陶瓷木粉放入SPS石墨磨具中，利用SPS燒結爐燒結制得陶瓷塊體，即得致密導電氧化物陶瓷。4.根據權利要求3所述的致密導電氧化物陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟c中，混合后的溶液中金屬離子與草酸的摩爾比例為1:3-10，離心分離的轉速為10000-12000r/mino5.根據權利要求3所述的致密導電氧化物陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟d中，煅燒溫度為600-900 °C，保溫0.5-2h。6.根據權利要求3所述的致密導電氧化物陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟e中，SPS石墨磨具的規格為Φ 20- Φ 50，SPS燒結爐燒結過程中，升溫速率控制在50-150°C /min，保溫溫度為1350-1450°C，保溫時間2-25min，壓力10-13KN，選用高純氬氣保護。
【專利摘要】本發明公開了一種致密導電氧化物陶瓷及其制備方法，該陶瓷的分子式為(Sr1-xLnx)2TiO4，其中，X為0-0.08，Ln為鑭系元素，所述陶瓷的致密度大于98％，室溫電阻率為10-5Ω·m量級；制備該陶瓷的所需原料其選用硝酸鍶、鑭系硝酸鹽和硫酸鈦提供金屬離子，選用草酸作為沉淀劑，其首先通過液相共沉淀法合成前驅體沉淀物，然后將前驅體沉淀物利用放電等離子燒結快速成型，制備得到的氧化物陶瓷可導電，滿足國標要求。本發明制備方法得到的致密(Sr1-xLnx)2TiO4陶瓷為單相，且結晶性能好。
【IPC分類】C04B35/47, C04B35/626
【公開號】CN104926298
【申請號】CN201510292636
【發明人】李亮亮, 劉全楨, 孫立富, 李義鵬, 高鑫, 張云朋, 宮宏, 孟鶴
【申請人】中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年5月27日