材料科学与工程毕业论文

毕业设计（论文）论文题目：反应条件对sol-gel合成锆英石的影响英文题目：Influence of the Reaction Condition on Preparation ofZrSiO4by Sol-gel学院：化学生物与材料科学学院专业：材料科学与工程学号：07057125学生姓名：罗秋锋指导教师：刘晓东、罗太安二0一一年六月摘要高放废物的安全处置是核能开发的世界性难题，技术难度大，研究周期长，涉及地质、化学、材料等多门学科。

而对于高放废物地质处置的第一道人工屏障，高放废物固化体的稳定性对于整个处置库具有重要的影响。

本论文采用溶胶-凝胶法合成锆英石，研究了反应条件对溶胶-凝胶法合成锆英石的影响，利用物化分析、XRD、电子探针对样品进行检测。

结果表明：锆英石前躯体制备的实验优化条件为加水量30mL、pH为2～3；烧结收缩率均大于20%，显气孔率均大于4%，表观密度均小于5.0 g/cm3。

产物的化学组成以ZrO2和SiO2等组成为主；凝胶后处理过程中经过氨水洗涤的样品其晶体组成主要以为锆英石（ZrSiO4）和斜锆石（ZrO2）为主，其中含有部分方石英（SiO2），而未经氨水洗涤的样品，其晶体为单一的单斜锆石（ZrO2）。

关键字：锆英石、溶胶-凝胶法、反应条件ABSTRACTThe safe disposition of high level radioactive waste is a global problem for the nuclear development, since the technical is very difficult, the research cycle is longer，and it refers to different subjects including geology, chemistry, materials, and others.As the first artificial barrier of deep geological disposal of HLW , the stability of immobilization has important influence on disposal repository. This paper synthesizes zircon by Sol-Gel; we dicuss Sol-Gel reaction conditions how to influence the preparation of precursor; Testing the physical and chemical properties of Zircon samples and use XRD, EPMA to analysise the different phase composition and mineral composition of several groups of zircon samples. The experimental conditions for zircon precursor is: amount of water 30m L, pH 2～3. The phase of sample washed by ammonia is form of baddeleyite (ZrO2)and zircon (ZrSiO4) , the other phase （SiO2）.Another without washing only includes baddeleyite (ZrO2). The main compositions of two samples are mainly composed with ZrO2and SiO2,and ZrO2 is the main content..Key words:Zircon、Sol-Gel、Reaction condition目录第一章绪论 (1)1.1锆英石的结构及性能 (1)1.2 锆英石的主要应用 (2)1.3 锆英石的主要合成方法 (2)1.3.1 固相法 (2)1.3.2 沉淀法 (2)1.3.3 水热法 (3)1.3.4 溶胶—凝胶法 (3)1.4 溶胶-凝胶法制备陶瓷的基本原理 (3)1.5 本文研究目的及内容 (4)1.5.1 本文研究的目的 (4)1.5.2 本文研究的内容 (6)第二章实验部分 (7)2.1 仪器及试剂 (7)2.2 实验过程 (8)2.2.1实验流程图 (8)2.2.2实验具体操作步骤 (8)2.3 性能测试 (9)2.3.1线收缩率 (9)2.3.2体积密度和显气孔率 (9)2.4 表征方法 (10)第三章结果与讨论 (11)3.1 不同实验条件对成胶的影响 (11)3.1.1加水量 (11)3.1.2 溶液pH值 (11)3.2物化性能测试结果 (12)3.3 XRD测试结果 (13)3.4 电子探针分析 (13)结论 (15)致谢 (16)参考文献 (17)第一章绪论1.1锆英石的结构及性能锆英石（亦称锆石，锆砂）是生产氧化锆、锆化学品、金属锆和从中提取锆的主要工业矿物，其化学式为ZrSiO4，属正方晶系，为中性耐火材料。

锆英石作为精密铸造的优良型砂已有长久的应用历史；锆英石或其下游加工产品氧化锆因其熔点高和化学性质稳定，是高级陶瓷和耐火材料的重要材料。

锆英石的理论组成为67.2%ZrO2和32.8%SiO2，原锆石必须经过精选才能用于铸造生产，锆英石中ZrO2的含量应高于60%，否则因杂质过多，使性能恶化。

如国内过去生产的一种低品位锆英石，ZrO2含量仅为55%，杂质含量高达10%，致使耐火度不高，热分解温度下降,高温力学性能差,在铸造生产中不能应用。

图1-1 锆石英晶体结构锆英石(ZrSiO4)是岩浆岩、沉积岩和变质岩中常见的岛状硅酸盐矿物。

锆英石晶体的晶胞结构如图1所示。

锆英石四方晶系；a0=0.662 nm，c=0.602 nm，Z=4。

锆英石结构属于ABO4结构类型(硅酸盐和磷酸盐)在结构中，［SiO4］四面体呈孤立状，彼此借助Zr4+相联结；且二者在c轴方向相间排列。

Zr4+的配位数为8，呈由立方体特殊畸变而成的［ZrO8］配位多面体。

整个结构也可视为由平行于a轴的共边ZrO8三角十二面体链和平行于c轴的SiO4四面体与ZrO8十二面体交替排列的链所组成，锆英石晶体结构如图1.1所示。

锆英石是一种重要材料，具有许多独特的性能。

它具有极低的热导率(室温下为5.1W/m℃,1000℃为33.5W/m℃)和极低的热膨胀系数(25℃～1400℃为 4.1×10-6/℃)，并且其强度在1400℃的高温也不衰减，同时烧结锆英石具有比莫来石和氧化锆更好的抗热震性能。

另一方面锆英石具有优异的化学稳定性、高温力学性能等,在玻璃工业、陶瓷工业、冶金工业、原子能工业、化学工业等领域得到了广泛的应用。

这些性能使得锆英石成为高温结构陶瓷的重要候选材料[ 1,,2]。

1.2 锆英石的主要应用在玻璃、陶瓷工业方面，锆英石可作为玻璃陶瓷工业中的添加剂和遮光剂；冶金工业方面，天然锆砂粒度均匀，吸热性好，散热均匀，加热时不发生多型转化(α--β转化)，因此可做铸造工业用的型砂。

锆砂磨细后涂于铸型件内部，可提高铸件成品率；原子能工业，主要用在原子能发电站核动力舰船及潜艇等的核反应堆中；化学工业方面，锆具有优异的抗腐蚀性能，用于化工设备中，如用含锆材料制成的阀门、排气机零件，以及在反应糟、蒸馏釜中的轧板均使用含锆材料；其他工业方面，含锆的涂料具有绝缘性，可做绝缘玻璃涂料，也可做防焦结涂料，难熔绝缘涂料，绝热涂料。

锆英石与含铝矿物配合可制成锆—铝磨料。

含锆鞣料可鞣制优质白色皮革。

用锆化合物浸渍过的织物具有防水性，耐热性及防腐性。

氧化锆陶瓷纤维可用于生产合成纸，这种纸具有抗热性能，化学惰性，绝热和隔音性能；最重要的一个应用是锆英石可作为核废料处置矿物类比物的重要矿物。

1.3 锆英石的主要合成方法目前锆英石的制备方法主要有：固相法、沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法。

1.3.1 固相法早期利用高温固相法制备锆英石通常是采用ZrO2和SiO2(石英、方石英或磷石英)为原料直接进行。

Bowen 和 Greig发现在1460℃有ZrSiO4成，Barlet以及Scott 和Hilliard发现在1500℃有ZrSiO4合成，而Geller和Yovat sky认为在1700℃有ZrSiO4合成，Curtis和Sowman的结果表明ZrSiO4是在1315～1430℃间合成。

由于受原料及制备方法的限制，他们都没有确定其合成的最高和最低温度。

固相法制备锆英石工艺简单，效率高，成本低，可以批量化生产，但纯度较低。

在核废物固化处理过程中应尽量采用简洁实用的固相反应工艺,以达到降低成本、保护操作人员的安全，尽量避免或减少固化处理过程中可能带来的二次环境污染。

制约锆英石陶瓷固化体处理高放废物的问题在于制备条件。

由于SiO2和 ZrO2颗粒之间形成锆英石的反应具有相当低的形成自由能、低的扩散性和需要很高的活化能，因此合成锆英石陶瓷固化体需要高温(>1300℃)和高压，并无法获得较高的锆英石收率(一般<50%)[3]。

1.3.2 沉淀法共沉淀法作为制备固体材料的重要方法已被及时地引进了ZnO压敏材料的制备过程,然而，对该材料而言，由于其组分多，相结构复杂，对工艺过程敏感等特点, 因此有大量的基本问题需要深入研究。

沉淀法操作简便易行，对设备、技术需求不高，不易引入杂质，产品纯度高，成本低，但是粒子粒径较宽，分散性较差，洗涤原溶液中的阴离子较困难。

1.3.3 水热法水热法与固相合成研究的差别在于“反应性”不同。

这种不同主要体现在反应机理上，固相反应的机理主要以界面扩散为其特点，而水热反应主要以液相反应为其特点。

不同的反应机理首先可能导致不同结构的生成，此外即使生成相同的结构也有可能由于最初的生成机理的差异而为合成材料引入不同的“基因” ,如液相条件生成完美晶体等。

水热化学侧重于热条件下特殊化合物与材料的制备，合成和组装。

重要的是通过水热反应可以制得固相反应无法制得的物相或物种，或者使反应在相对温和的溶剂条件下进行。

水热法制备超细锆英石要求的高温高压设备昂贵，投资大，对反应设备要求苛刻，操作要求高，难以大规模工业化生产。

1.3.4 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法不仅可以用于制备纳米微粉，也可用于制备薄膜纤维、块状材料和复合材料。

其优缺点如下[4]：①即便是多组分原料在制备过程中也无需机械混合，不易引进杂质，故产品的纯度高；②由于溶胶-凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，胶粒内及胶粒间化学成分完全一致，化学均匀性好；③颗粒细，其胶粒尺寸小于100nm；④可包容不溶性组分或不沉淀组分，不溶性颗粒可均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液中，经溶胶-凝胶过程，不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中，不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好；⑤掺杂分布均匀，可溶性微量掺杂组分分布均匀，不会分离、偏析；⑥合成温度低，成分容易控制；⑦产物的活性高；⑧工艺、设备简单。