[发明专利]一种室温稳定的超细均匀立方二氧化锆纳米晶体材料的合成方法

说明书

本发明提供了一种室温稳定的超细均匀立方二氧化锆纳米晶体材料的合成方法；该方法以八水氧氯化锆作为锆前驱体，以三氯化钇作为稳定剂，以氨水作为溶剂，在水热条件下密闭反应釜内，使高温高压产生的水蒸汽与锆源接触，再利用冷水急速冷却，生成室温稳定的超细均匀立方二氧化锆纳米晶体材料，通过水热温度控制，实现水蒸汽蒸发量控制，进而对锆源水解速率有效控制，而且该方法不采用任何添加剂或掺杂物，保证立方二氧化锆(c‑ZrO₂)纳米晶体材料的纯度，避免立方二氧化锆(c‑ZrO₂)晶粒在高温煅烧时的长大、团聚和向四方相和单斜相转变，保证晶粒均匀可控，在室温条件下稳定存在。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及到室温稳定的超细均匀立方二氧化锆纳米晶体材料的合成方法。

背景技术

二氧化锆(ZrO₂)是锆的主要氧化物，通常情况下为白色无臭无味多晶体粉末，一般常含有少量的二氧化铬(CrO₂)和二氧化铪(HfO₂)等杂质。二氧化锆(ZrO₂)纳米晶体材料因不仅具有熔点和硬度高、热稳定性和化学稳定性好等本身固有的特性外，而且还同时兼备酸碱性、氧化性和还原性等特殊的表面化学性质，从而使其在陶瓷增韧、陶瓷绝缘、陶瓷遮光、光电器件、太阳能电池、气体传感器、吸附、酸碱催化及光催化等诸多领域广泛应用。

二氧化锆(ZrO₂)的原子成分虽然简单，只有一个锆原子和二个氧原子，但它是一个典型的结构-功能材料，具有多种物相结构。常压下，二氧化锆(ZrO₂)有三种物相结构：当温度高于2370℃时，二氧化锆(ZrO₂)为立方(cubic)氟石型(CaF₂)(No.225)结构，由Zr⁴⁺构成面心立方点阵，O^2-占据面心立方点阵所有的四面体空隙位置；在1170℃～2370℃之间，二氧化锆(ZrO₂)以四方(tetragonal)相(P4₂/nmc，No.137)形式存在，四方二氧化锆(ZrO₂)相当于立方结构沿着c轴伸长而变形的晶体结构，且交替的氧列沿c轴错位排列；室温下二氧化锆(ZrO₂)以单斜(monoclinic)(P2₁/c，No.14)形式存在，单斜二氧化锆(ZrO₂)晶体则可以看作立方结构晶体沿着β角偏转一定角度而构成的。从热力学角度来说，在室温下，二氧化锆(ZrO₂)单斜相是稳定相，而四方相和立方相二氧化锆(ZrO₂)是亚稳相。

随着电子和新材料工业的发展，二氧化锆(ZrO₂)纳米晶体材料作为电子陶瓷、功能陶瓷、结构陶瓷和人造宝石的主要原料，在高技术领域的应用日益扩大。随着电子工业的发展，对电子器件提出了微细化、高精度和高可靠性要求。为满足这些要求，制作这些元器件的原材料必须具备纯度高、颗粒微细且均匀的条件。

在现有的水热/溶剂热法中，在特制的密闭反应器(高压釜)中，采用水/溶剂为反应介质，通过对反应体系加热加压(或自生蒸汽压)，创造一个相对高温高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并再结晶而进行的无机合成与材料处理的方法。水热/溶剂热法的反应温度一般在100～1000℃之间，反应压强一般在1～100MPa。

然而，就二氧化锆(ZrO₂)纳米材料的合成而言，无论是无机锆盐还是有机醇锆盐前驱体由于具有非常高的水解反应活性，即使采用水热/溶剂热法合成同样也存在以下三个问题：

(1)锆盐前驱体遇水立即发生快速水解反应而形成无定形二氧化锆(ZrO₂)沉淀物；

(2)无定形二氧化锆(ZrO₂)需要经过高温焙烧才可获得二氧化锆(ZrO₂)纳米晶体，这样极易导致其晶粒长大与团聚现象进而降低其比表面积；