一種采用兩步法合成Yb₂Si₂O₇粉體的方法
【專利摘要】一種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：1)取Yb(NO)3·5H2O加水配成溶液A；取Na2SiO3·9H2O溶于水中制得溶液B；按將NaOH溶于水中，制得溶液C；2)將溶液B、溶液C依次加入溶液A中，充分攪拌均勻，制得溶液D；3)將溶液D水熱反應后冷卻至室溫，將反應液水洗、抽濾，制得粉體A；將粉體A烘干后，得到粉體B；4)將粉體B與Na2MoO4·2H2O混勻后，于750～950℃下反應，制得粉體C；5)將粉體C加水溶解后，離心去除熔鹽，然后經(jīng)洗滌、干燥，制得Yb2Si2O7粉體。該方法操作簡單，易控制，合成溫度低，能夠制備出粒徑適宜的硅酸鐿(Yb2Si2O7)粉體。
【專利說明】
一種采用兩步法合成Yb2S i 207粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC、Si3N4陶瓷及Cf/SiC復合材料在干燥環(huán)境下，具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、良好的力學性能，因此廣泛應用于航空航天領(lǐng)域的高溫結(jié)構(gòu)部件中。但是，在高溫高速水蒸氣氣氛下，這類材料普遍存在著材料表面出現(xiàn)嚴重的腐蝕失效的問題。熱障/環(huán)障涂層是解決這一問題有效途徑，早先研究的莫來石涂層、Y2O3穩(wěn)定ZrO2(YSZ)涂層、BSAS(l-xBa0-xSr0-Al203-2Si02，0 SxS I)涂層并不能有效解決這一問題，它們通常存在著高溫相變、高溫穩(wěn)定性較差、不耐水蒸氣腐蝕等問題。相比于莫來石、YSZ、BSAS，稀土元素硅酸鹽具有熱膨脹系數(shù)低、優(yōu)良的高溫熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、水蒸氣條件下耐腐蝕等優(yōu)點，是在更高溫度下使用的候選材料。尤其是硅酸鐿(Yb2Si2O7)材料自身具備的結(jié)構(gòu)特點及一系列優(yōu)異的物理化學性能，具有熱膨脹系數(shù)低、高溫熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好、在水蒸氣環(huán)境下耐蝕性好、與硅基陶瓷基底接近的熱膨脹系數(shù)和良好的化學相容性等，常被用于熱障/環(huán)障材料。Yb2Si2O7的熱膨脹系數(shù)(3.7 X I(T6IT1)與碳化硅的熱膨脹系數(shù)(4.5X10—t1)較為接近，且與SiC之間有很好的物理化學相容性，從而被認為是以SiC為內(nèi)涂層的復合涂層結(jié)構(gòu)中最理想的外涂層材料之一。
[0003]目前，有關(guān)硅酸鐿(Yb2Si2O7)的制備方法主要有如下三種:溶膠-凝膠法、固相法、水熱法等。這些制備方法都具有其獨特的優(yōu)點，但不足之處大多在于制備工藝復雜、反應周期長、反應條件要求較苛刻、反應設(shè)備要求高、需后期晶化處理等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，該方法操作簡單，易控制，合成溫度低，能夠制備出粒徑適宜的硅酸鐿(Yb2Si2O7)粉體。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]—種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，包括以下步驟:
[0007]I)取Yb(NO)3.5出0，加水配成濃度為0.06?lmol/L的溶液A;按Yb(NO)3.5H20:Na2S13.9H20= 1:(0.5?1.5)的摩爾比，取Na2S13.9出0溶于水中，制得溶液B;按(1.0?
3.0)g: (5?20 )ml的用量比，將NaOH溶于水中，制得溶液C;
[0008]2)將溶液B、溶液C依次加入溶液A中，充分攪拌均勻，制得溶液D;
[0009]3)將溶液D在180?230 °C下，水熱反應12?24h，冷卻至室溫，將反應液水洗、抽濾，制得粉體A ；將粉體A烘干后，得到粉體B ；
[0010]4)按粉體B:Na2MoO4.2Η20=1: (I?2)的質(zhì)量比，將粉體B與Na2MoO4.2出0混勻后，于750?950 °C下，反應I?5h，制得粉體C;[0011 ] 5)將粉體C加水溶解后，離心去除熔鹽，然后經(jīng)洗滌、干燥，制得Yb2Si2O7粉體。
[0012]步驟2)中，充分攪拌時間為I?3h。
[0013]步驟3)是將溶液D置于水熱反應釜中，將水熱反應釜置于均相反應器中進行水熱反應。
[0014]步驟3)中，是將反應液置于抽濾設(shè)備中，用蒸餾水進行清洗，然后采用循環(huán)水真空栗進行抽濾，抽濾時間為5?I Omin。
[0015]步驟3)中，所述烘干溫度為60?80°C，時間為I?3h。
[0016]步驟4)是將粉體B與Na2MoO4.2H20混勻后置于坩禍中，然后將坩禍放入馬弗爐中進行反應。
[0017]步驟5)中，離心轉(zhuǎn)速為7000?9000r/min，離心時間為5?lOmin。
[0018]步驟5)中，所述洗滌是依次用蒸餾水及無水乙醇各自洗滌2?5次。
[0019]步驟5)中，所述干燥是在40?60°C下干燥I?3h。
[0020]所用Yb(NO)3.5H20、Na2Si03.9H20及Na2MoO4.2H20均為分析純，所用NaOH為分析純的粒狀NaOH。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0022]本發(fā)明公開的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，是將水熱法和熔鹽法結(jié)合制備硅酸鐿(Yb2Si2O7)粉體，水熱法結(jié)合熔鹽法兩步法不需要高溫高壓等苛刻的條件和復雜的設(shè)備，可以明顯降低硅酸鐿合成活化能，緩解單純水熱法合成動力學不足的問題，有效地降低合成溫度，縮短反應時間，減少晶體顆粒的團聚現(xiàn)象，一定程度上避免了后期熱處理過程中可能導致的晶粒長大，而且適應性廣。反應過程可以精確控制，可以根據(jù)需要改變原料配比、加入量、反應溫度、反應時間等。本發(fā)明采用水熱法結(jié)合熔鹽法兩步法在較低溫度條件下制備出了粒徑適宜的硅酸鐿(Yb2Si 207)粉體。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明在實施例5條件下所制備硅酸鐿(Yb2Si2O7)粉體的XRD圖譜；
[0024]圖2為本發(fā)明在實施例5條件下所制備硅酸鐿(Yb2Si2O7)晶須的掃描電鏡(SEM)照片。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0026]實施例1
[0027]—種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，包括以下步驟:
[0028]I)稱取分析純的Yb(NO)3.5Η20，充分溶于蒸餾水中，配制成濃度為0.06mol/L的溶液，得到的溶液記為溶液A。
[0029]2)稱取分析純的Na2S13.9H20，按照Yb(NO)3.5H20:Na2S13.9H20= 1: 0.5的摩爾比，充分溶于蒸餾水中，將得到的溶液記為溶液B。
[0030]3)稱取分析純的粒狀NaOH，充分溶于蒸餾水中，其中NaOH的質(zhì)量為1.0g，蒸餾水的加入量為5ml，將得到的溶液記為溶液C。[0031 ] 4)將得到的溶液B、溶液C依次加入到溶液A中，充分攪拌Ih，隨后得到溶液D。
[0032]5)將溶液D倒入水熱反應釜中，將水熱反應釜放入均相反應器中，控制反應溫度180°C，控制反應時間12h。
[0033]6)待反應完全，冷卻到室溫，將溶液D倒入抽濾設(shè)備中，用蒸餾水清洗，采用循環(huán)水真空栗抽濾，控制抽濾時間5min，抽濾完成后得到粉體A。
[0034]7)將粉體A放入烘箱中烘干，控制溫度60°C，控制時間lh，烘干后得到粉體B。
[0035]8)選市售分析純的鉬酸鈉(Na2MoO4.2H20)，將粉體B與鉬酸鈉均勻混合放入坩禍中，按照粉體B:Na2MoO4.2H20=1:1的質(zhì)量比，將坩禍置于馬弗爐中，控制溫度750°C，控制時間Ih，得到粉體C。將粉體C加水溶解后，離心分離去除熔鹽，控制轉(zhuǎn)速7000r/min，控制時間5min，先后用蒸餾水及無水乙醇各自洗滌2次，最后在40 V的電熱鼓風干燥箱中干燥Ih，即可得到Y(jié)b2Si2O7粉體。
[0036]實施例2
[0037]—種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，包括以下步驟:
[0038]I)稱取分析純的Yb(NO)3.5H20，充分溶于蒸餾水中，配制成濃度為0.07mol/L的溶液，得到的溶液記為溶液A。
[0039]2)稱取分析純的Na2S13.9H20，按照Yb(NO)3.5H20:Na2S13.9H20= 1: 0.8的摩爾比，充分溶于蒸餾水中，將得到的溶液記為溶液B。
[0040]3)稱取分析純的粒狀NaOH，充分溶于蒸餾水中，其中NaOH的質(zhì)量為1.5g，蒸餾水的加入量為1ml，將得到的溶液記為溶液C。
[0041 ] 4)將得到的溶液B、溶液C依次加入到溶液A中，充分攪拌1.5h，隨后得到溶液D。
[0042]5)將溶液D倒入水熱反應釜中，將水熱反應釜放入均相反應器中，控制反應溫度190°C，控制反應時間15h。
[0043]6)待反應完全，冷卻到室溫，將溶液D倒入抽濾設(shè)備中，用蒸餾水清洗，采用循環(huán)水真空栗抽濾，控制抽濾時間6min，抽濾完成后得到粉體A。
[0044]7)將粉體A放入烘箱中烘干，控制溫度65°C，控制時間1.5h，烘干后得到粉體B。
[0045]8)選市售分析純的鉬酸鈉(Na2MoO4.2H20)，將粉體B與鉬酸鈉均勻混合放入坩禍中，按照粉體B: Na2MoO4.2H20= 1: 1.4的質(zhì)量比，將坩禍置于馬弗爐中，控制溫度800°C，控制時間3h，得到粉體C。將粉體C加水溶解后，離心分離去除熔鹽，控制轉(zhuǎn)速7500r/min，控制時間6min，先后用蒸餾水及無水乙醇各自洗滌2次，最后在45 V的電熱鼓風干燥箱中干燥
I.5h，即可得到Y(jié)b2Si2O7粉體ο
[0046]實施例3
[0047]—種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，包括以下步驟:
[0048]I)稱取分析純的Yb(NO)3.5H20，充分溶于蒸餾水中，配制成濃度為0.08mol/L的溶液，得到的溶液記為溶液A。
[0049]2)稱取分析純的Na2S13.9H20，按照Yb(NO)3.5H20:Na2S13.9H20=1:1的摩爾比，充分溶于蒸餾水中，將得到的溶液記為溶液B。
[0050]3)稱取分析純的粒狀NaOH，充分溶于蒸餾水中，其中NaOH的質(zhì)量為2.0g，蒸餾水的加入量為15ml，將得到的溶液記為溶液C。
[0051 ] 4)將得到的溶液B、溶液C依次加入到溶液A中，充分攪拌2h，隨后得到溶液D。
[0052]5)將溶液D倒入水熱反應釜中，將水熱反應釜放入均相反應器中，控制反應溫度200°C，控制反應時間18h。
[0053]6)待反應完全，冷卻到室溫，將溶液D倒入抽濾設(shè)備中，用蒸餾水清洗，采用循環(huán)水真空栗抽濾，控制抽濾時間7min，抽濾完成后得到粉體A。
[0054]7)將粉體A放入烘箱中烘干，控制溫度70°C，控制時間2h，烘干后得到粉體B。
[0055]8)選市售分析純的鉬酸鈉(Na2MoO4.2H20)，將粉體B與鉬酸鈉均勻混合放入坩禍中，按照粉體B: Na2MoO4.2H20= 1: 1.6的質(zhì)量比，將坩禍置于馬弗爐中，控制溫度850°C，控制時間5h，得到粉體C。將粉體C加水溶解后，離心分離去除熔鹽，控制轉(zhuǎn)速8000r/min，控制時間7min，先后用蒸餾水及無水乙醇各自洗滌3次，最后在50 V的電熱鼓風干燥箱中干燥2h，即可得到Y(jié)b2Si2O7粉體ο
[0056]實施例4
[0057]—種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，包括以下步驟:
[0058]I)稱取分析純的Yb(NO)3.5H20，充分溶于蒸餾水中，配制成濃度為0.09mol/L的溶液，得到的溶液記為溶液A。
[0059]2)稱取分析純的Na2S13.9H20，按照Yb(NO)3.5H20:Na2S13.9H20= 1:1.2的摩爾比，充分溶于蒸餾水中，將得到的溶液記為溶液B。
[0060]3)稱取分析純的粒狀NaOH，充分溶于蒸餾水中，其中NaOH的質(zhì)量為2.5g，蒸餾水的加入量為20ml，將得到的溶液記為溶液C。
[0061 ] 4)將得到的溶液B、溶液C依次加入到溶液A中，充分攪拌2.5h，隨后得到溶液D。
[0062]5)將溶液D倒入水熱反應釜中，將水熱反應釜放入均相反應器中，控制反應溫度210°C，控制反應時間21h。
[0063]6)待反應完全，冷卻到室溫，將溶液D倒入抽濾設(shè)備中，用蒸餾水清洗，采用循環(huán)水真空栗抽濾，控制抽濾時間8min，抽濾完成后得到粉體A。
[0064]7)將粉體A放入烘箱中烘干，控制溫度75°C，控制時間2.5h，烘干后得到粉體B。
[0065]8)選市售分析純的鉬酸鈉(Na2MoO4.2H20)，將粉體B與鉬酸鈉均勻混合放入坩禍中，按照粉體B: Na2MoO4.2H20= 1:1.8的質(zhì)量比，將坩禍置于馬弗爐中，控制溫度900°C，控制時間3h，得到粉體C。將粉體C加水溶解后，離心分離去除熔鹽，控制轉(zhuǎn)速8500r/min，控制時間Smin，先后用蒸餾水及無水乙醇各自洗滌2次，最后在55 °C的電熱鼓風干燥箱中干燥
2.5h，即可得到Y(jié)b2Si2O7粉體ο
[0066]實施例5
[0067]—種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，包括以下步驟:
[0068]I)稱取分析純的Yb(NO)3.5H20，充分溶于蒸餾水中，配制成濃度為0.lmol/L的溶液，得到的溶液記為溶液A。
[0069]2)稱取分析純的Na2S13.9H20，按照Yb(NO)3.5H20:Na2S13.9H20= 1:1.5的摩爾比，充分溶于蒸餾水中，將得到的溶液記為溶液B。
[0070]3)稱取分析純的粒狀NaOH，充分溶于蒸餾水中，其中NaOH的質(zhì)量為3.0g，蒸餾水的加入量為20ml，將得到的溶液記為溶液C。
[0071 ] 4)將得到的溶液B、溶液C依次加入到溶液A中，充分攪拌3h，隨后得到溶液D。
[0072]5)將溶液D倒入水熱反應釜中，將水熱反應釜放入均相反應器中，控制反應溫度230°C，控制反應時間24h。
[0073]6)待反應完全，冷卻到室溫，將溶液D倒入抽濾設(shè)備中，用蒸餾水清洗，采用循環(huán)水真空栗抽濾，控制抽濾時間1min，抽濾完成后得到粉體A。
[0074]7)將粉體A放入烘箱中烘干，控制溫度80°C，控制時間3h，烘干后得到粉體B。
[0075]8)選市售分析純的鉬酸鈉(Na2MoO4.2H20)，將粉體B與鉬酸鈉均勻混合放入坩禍中，按照粉體B:Na2MoO4.2H20=1:2的質(zhì)量比，將坩禍置于馬弗爐中，控制溫度950°C，控制時間3h，得到粉體C。將粉體C加水溶解后，離心分離去除熔鹽，控制轉(zhuǎn)速9000r/min，控制時間1min，先后用蒸餾水及無水乙醇各自洗滌2次，最后在60°C的電熱鼓風干燥箱中干燥3h，即可得到Y(jié)b2Si2O7粉體。
[0076]參見圖1，為本實施例條件下所制備硅酸鐿(Yb2Si2O7)粉體的XRD圖譜，條件一般的水熱之后得到的前驅(qū)物是非晶的，并不能得到硅酸鐿粉體，需要第二步熔鹽法之后得到硅酸鐿粉體，如XRD圖譜所示控制溫度在下750°C便能形成硅酸鐿粉體，衍射峰明顯且無明顯的雜峰，與PDF卡片78-1212保持一致。其原因是750°C下鉬酸鈉變成熔融態(tài)，在熔融狀態(tài)下反應物顆粒的擴散及碰撞幾率增加，有利于降低反應的活化能及硅酸鐿的合成溫度。
[0077]參見圖2，為本實施例條件下所制備硅酸鐿(Yb2Si2O7)晶須的掃描電鏡(SEM)照片。當熱處理溫度為950°C時，硅酸鐿粉末結(jié)晶性良好，得到了大小較為均一的硅酸鐿粉體，粉體大小大約為50?200nm。由于熔鹽的存在，部分熔融地方不夠均勻，得到的粉體大小也不一樣。
[0078]綜上所述，本發(fā)明公開的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，在較低溫度條件下制備出了粒徑適宜的硅酸鐿(Yb2Si2O7)粉體，主要優(yōu)勢如下:
[0079]1、本發(fā)明公開的的硅酸鐿(Yb2Si2O7)粉體的制備方法工藝控制簡單，成本較低，制備溫度低，一定程度上避免了后期熱處理過程中可能導致的晶粒長大；
[0080]2、采用水熱法不需要高溫高壓等苛刻的條件，熔鹽法在一定程度上降低了合成溫度；
[0081]3、反應過程可以精確控制，可以根據(jù)需要改變原料配比、加入量、反應溫度、反應時間等。
【主權(quán)項】
1.一種采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)取Yb(NO)3.5H20，加水配成濃度為 0.06 ?lmol/L 的溶液 A;按 Yb(NO)3.5H20:Na2S13.9H20= 1:(0.5?1.5)的摩爾比，取Na2S13.9H20溶于水中，制得溶液B;按(1.0?3.0)g: (5?20 )ml的用量比，將NaOH溶于水中，制得溶液C; 2)將溶液B、溶液C依次加入溶液A中，充分攪拌均勻，制得溶液D; 3)將溶液D在180?2300C下，水熱反應12?24h，冷卻至室溫，將反應液水洗、抽濾，制得粉體A ；將粉體A烘干后，得到粉體B ； 4)按粉體B:Na2MoO4.2H20= 1: (I?2)的質(zhì)量比，將粉體B與Na2MoO4.2H20混勻后，于750?950 °C下，反應I?5h，制得粉體C; 5)將粉體C加水溶解后，離心去除熔鹽，然后經(jīng)洗滌、干燥，制得Yb2Si2O7粉體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，步驟2)中，充分攪拌時間為I?3h。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，步驟3)是將溶液D置于水熱反應釜中，將水熱反應釜置于均相反應器中進行水熱反應。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，步驟3)中，是將反應液置于抽濾設(shè)備中，用蒸餾水進行清洗，然后采用循環(huán)水真空栗進行抽濾，抽濾時間為5?1min05.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，步驟3)中，所述烘干溫度為60?80°C，時間為I?3h。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，步驟4)是將粉體B與Na2MoO4.2H20混勻后置于坩禍中，然后將坩禍放入馬弗爐中進行反應。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，步驟5)中，離心轉(zhuǎn)速為7000?9000r/min，離心時間為5?lOmin。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，步驟5)中，所述洗滌是依次用蒸餾水及無水乙醇各自洗滌2?5次。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，步驟5)中，所述干燥是在40?60°C下干燥I?3h。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用兩步法合成Yb2Si2O7粉體的方法，其特征在于，所用Yb(NO)3.5H20、Na2Si03.9H20及Na2MoO4.2H20均為分析純，所用NaOH為分析純的粒狀NaOH。
【文檔編號】C01B33/20GK105858673SQ201610367301
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】曹麗云, 雍翔, 黃劍鋒, 周磊, 李翠艷, 劉錦濤, 歐陽海波, 費杰, 吳建鵬, 姚春燕
【申請人】陜西科技大學