[发明专利]一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法

说明书

一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法，属于纳米精细陶瓷复合材料领域，步骤如下：将含钨酸根的阴离子水溶液和含锆的阳离子水溶液同时在蠕动泵的控制下滴加到纳米氧化硅水溶液中；将混合溶液水浴环境下超声振荡；将浓盐酸加入到溶液中直至氢离子的浓度达到0.1～2mol/L，并在水浴环境下持续超声振荡，得到复合材料的前驱体悬浊液；将前驱体悬浊液加入反应釜后密封，180～190℃环境保温至少3.5h；收集沉淀，进行陈腐、过滤、烘干，在450～520℃下进行煅烧，得到纳米氧化硅夹芯在钨酸锆晶体内部的复合粉体。本发明从纳米尺度提升精细陶瓷复合材料的均质化，有效抑制纳米粒子团聚造成的复合材料热应变损伤。

技术领域

本发明属于纳米精细陶瓷复合材料领域，具体涉及一种制备氧化硅/钨酸锆复合粉体的工艺，特别是一种纳米夹芯结构氧化硅/钨酸锆复合粉体的制备方法。

背景技术

随着工业技术的发展升级，具有低/近零热膨胀系数(CTE)的复合材料由于其独特的对环境不敏感特性，被广泛地应用于场景复杂的高精尖领域。例如在精密仪器、深空探测、半导体封装等科技领域皆需要低/近零CTE的复合材料的助力。然而，深入到微观层面，复合材料在长期经历不断变化的温度环境后，复合材料会因为纳米颗粒的团聚而导致两相界面产生强大的热应变。热应变的产生会造成复合材料生成微裂纹，这大大降低了复合材料的运行可靠性。因此，设计并制备出在纳米级别实现材料均质化的复合材料，并且在较宽的温度范围内实现低/近零CTE仍被认为是一个挑战。

由于钨酸锆在较宽温度区间内(-273-777℃)具有各向同性负热膨胀(α＝-8.7×10^-6/℃)的优越特性，基于此特性可作为合成具有近零热膨胀复合材料的负热膨胀相。以钨酸锆为复合材料的基体，掺杂入其他具有正热膨胀特性的单质或氧化物，即可合成具有低/接近零CTE的钨酸锆基复合材料，以应对复合材料的热膨胀效应。水热法制备钨酸锆的技术已经非常成熟，目前的水热法制备钨酸锆有长棒型和空心球型，但是在制备复合材料时都存在缺陷，即长棒状钨酸锆复合材料易导致增强相团聚以及空心球状钨酸锆复合材料易导致材料力学性能差。其中，氧化硅/钨酸锆复合材料由于界面兼容性较好、正负热膨胀相的CTE相差较小和优异的抗热震特性，因此逐渐成为合成低/近零CTE复合材料的研究热点。因此，结合长棒状和空心球状钨酸锆的合成特征，发明一种复合材料均质化的夹芯结构，避免复合材料受热应变影响而滋生裂纹的制备工艺具有重大的科学意义。

在《硅酸盐学报》2008：(36)：35-39上孙秀娟等人已经介绍长棒状钨酸锆的水热法制备，在公开号为CN104495939A的中国专利申请中也公开了空心球状钨酸锆的合成工艺。本发明基于二者的合成经验，独创出了一种可以将增强相置于钨酸锆内部的夹心结构，基于此结构有望弥补前两者钨酸锆导致的复合材料缺陷。另外，在公开号为CN103849790A的中国发明专利申请中公开了一种原位生成均质纳米级陶瓷-金属复合材料的制备工艺，该制备工艺采用传统的混料机对有机硅聚合物和金属粉进行了混料，再通过注射成型机得到了复合材料成型胚。但是，这种物理混料的方式很难保证有机硅均匀粘结在金属粒子表面。当金属粒子与有机硅的界面兼容性差时，有机硅就会发生团聚，从而不能实现纳米级别的均质化。因此，这种混料方式仍然不能完全解决复合材料纳米级别的均质化这一难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以有效提高复合材料均质化的粉体制备工艺。通过结合长棒状和空心球状纯钨酸锆粉体的水热法制备特征，本发明通过控制水热法中钨酸锆的晶体生长，成功制备出了氧化硅被包覆在钨酸锆内部的纳米夹芯结构复合粉体。该结构合成利用水热自组装的技术，在钨酸锆前驱体的生长过程中，以钨酸钠和偏钨酸铵的比例变化控制着钨酸锆的形貌，以及通过氧化硅含量和蠕动泵的混料速度来控制氧化硅被包裹的数量，从而在最大程度实现了复合材料的均质化。相比于纯长棒状和空心球状钨酸锆，该工艺通过控制原料联合蠕动泵的填料方式，使得复合材料形成了特殊的夹芯结构。基于该粉体烧结出的复合材料可以大幅提升均质化程度，还能实现复合材料的近零膨胀，达到缓解热应变对复合材料滋生裂纹的效果。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：