一种Yb2Si2O7晶须及其制备方法与流程

本发明属于结构材料制备技术领域，具体涉及一种Yb2Si2O7晶须及其制备方法。

背景技术：

硅酸镱(Yb2Si2O7)属单斜晶系，属C2/m空间群，其晶格参数为晶面夹角为β＝102.070°，具有α-Yb2Si2O7、β-Yb2Si2O7两种不同单斜结构[Cen Zhao,Feng Wang,Yinjie Sun,Yanchun Zhou,Synthesis and characterization of b-Yb2Si2O7powders[J].Ceramics International,2013,39: 5805-5811.]。硅酸镱(Yb2Si2O7)材料自身具备的结构特点及一系列优异的物理化学性能，具有热膨胀系数低、高温热稳定性和化学稳定性好、在水蒸气环境下耐蚀性好、与硅基陶瓷基底接近的热膨胀系数和良好的化学相容性等，使其成为一种高性能结构材料，常被用于热障/环障材料。Yb2Si2O7的热膨胀系数 (3.7×10^-6K^-1)与碳化硅的热膨胀系数(4.5×10^-6K^-1)较为接近，且与SiC之间有很好的物理化学相容性，从而被认为是以SiC为内涂层的复合涂层结构中最理想的外涂层材料之一。

然而，涂层与C/C基体之间或与SiC内涂层之间的热膨胀系数失配产生的热应力均会导致涂层开裂，致使涂层的抗氧化能力下降[JF Huang,XR Zeng, HJ Li,et al.Influence of the preparation temperature on the phase,microstructure and anti-oxidation property of a SiC coating for C/C composites[J].Carbon,2004, 42:1517-1521.]。而硅酸镱晶须具有高熔点、低热导率、低热膨胀系数、抗氧化、高温稳定性好等优异性能，与现有应用极其广泛的碳化硅、氮化硅等非氧化物晶须相比，能够在更高的温度和更恶劣的氧化条件下使用，因此可以作为一种性能优异的新型复合材料增强体。

目前，大多是关于Yb2Si2O7粉体制备的报道，未见对Yb2Si2O7晶须制备的报道。硅酸镱(Yb2Si2O7)粉体的制备方法也主要是如下三种：溶胶-凝胶法、固相法、水热法等。这些制备方法都具有其独特的优点，但不足之处大多在于制备工艺复杂、反应周期长、反应条件要求较苛刻、需后期晶化处理等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种Yb2Si2O7晶须及其制备方法，该方法操作简单，反应条件温和，过程可控性强；经该方法制得的Yb2Si2O7晶须形貌可控、纯度高、粒度均一。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种Yb2Si2O7晶须的制备方法，包括以下步骤：

1)取Yb(NO)3·5H2O，溶解于无水乙醇中，配制成浓度为配制成浓度为 0.5～1mol/L的溶液A；

2)按Yb(NO)3·5H2O:Si(OC2H5)4＝1:(1～1.5)的摩尔比，将Si(OC2H5)4加入溶液A中，充分搅拌均匀，制得溶液B；

3)将溶液B干燥后，得到粉体A，并将粉体A在200℃下预烧处理，冷却至室温，制得粉体B；

4)将粉体B与混合复盐按照1:(1～2)的质量比混合均匀后，在800～1000℃下热处理，制得粉体C；

其中，混合复盐是由氯化钠与氯化钾按1:(1～2)的质量比混合而成；

5)将粉体C加水溶解后，离心处理，将沉淀洗涤、干燥，制得Yb2Si2O7晶须。

步骤2)中，充分搅拌时间为1～3h。

步骤3)是将粉体A置于坩埚中，然后将坩埚放入马弗炉中预烧处理1～3h。

步骤3)所述的干燥是将溶液B置于恒温反应器中，在50～70℃下，干燥 8～10h。

步骤4)所述的热处理是在马弗炉中进行，热处理时间为3～7min。

步骤5)所述的离心是在8000～10000r/min下，处理8～12min。

步骤5)所述的洗涤是将沉淀依次用蒸馏水、无水乙醇洗涤3～5次。

步骤5)所述的干燥是在40～60℃下，干燥1～3h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的Yb2Si2O7晶须的制备方法，以Yb(NO)3·5H2O和Si(OC2H5)4作为反应起始原料，经过预烧和热处理，制得Yb2Si2O7晶须。反应过程中采用非水解溶胶凝胶法结合熔盐法制备Yb2Si2O7晶须。该方法不仅工艺简单，结合熔盐法又具有以下三点优势：(1)可以明显地降低合成温度和缩短反应时间。这可以归结为由于盐的熔体的形成，使反应成分在液相中的流动性增强，扩散速率显著提高。同时由于熔盐贯穿在生成的颗粒之间，阻止颗粒之间的相互连结，因此，熔盐法制得的材料无团聚，或仅有弱团聚。(2)可以更容易地控制颗粒的形状和尺寸。(3)熔盐法的反应过程以及随后的清洗过程中，也有利于杂质的消除，形成高纯的反应产物。本发明采用的熔盐为氯化钠与氯化钾，利用硅酸镱粉体溶于液态氯化钠与氯化钾的混合熔盐，形成硅酸镱的饱和溶液，由于氯化钠与氯化钾的复盐具有一定的挥发性，复盐的加入不仅降低了硅酸镱的合成温度，而且在热处理保温过程中使硅酸镱溶液形成过饱和状态，析晶形成硅酸镱晶核，再通过液相传质沿一维方向择优生长成硅酸镱晶须。

经本发明方法制备出的Yb2Si2O7晶须，形貌可控，晶须尺寸分布均一，长径比合适。

附图说明

图1为本实施例2制备的硅酸镱(Yb2Si2O7)晶须的XRD图谱；

图2为本实施例1制备的硅酸镱(Yb2Si2O7)晶须的扫描电镜(SEM)照片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

一种Yb2Si2O7晶须的制备方法，包括以下步骤：

1)称取分析纯的Yb(NO)3·5H2O，充分溶于无水乙醇中，配制成浓度为 0.05mol/L的溶液，得到的溶液记为溶液A。

2)量取分析纯的TEOS(Si(OC2H5)4)，按照Yb(NO)3·5H2O:TEOS＝1:1 的摩尔比，将量取的TEOS加入到溶液A中，充分搅拌1h后得到溶液B。

3)将溶液B放入恒温反应器中，控制温度为60℃,干燥10h，得到粉体A。

4)将干燥后的粉体A放入坩埚中，置于马弗炉中200℃预烧处理1h，待自然冷却至室温，取出后得到粉体B。

5)选市售分析纯的氯化钠(NaCl)和氯化钾(KCl)，按照质量比NaCl:KCl ＝1:1，将粉体B与复盐均匀混合放入坩埚中，按照粉体B:NaCl-KCl＝1:1.5的质量比，将坩埚置于马弗炉中，控制温度800℃，控制时间5h，得到粉体C。将粉体C在8000r/min下，离心分离12min，收集沉淀，将沉淀先后用蒸馏水及无水乙醇各自洗涤5次，最后在60℃的电热鼓风干燥箱中干燥3h，即可得到Yb2Si2O7晶须。

参见图2，从图2中可以看出，当热处理温度为800℃时，得到了长短不一、直径较小的短棒状硅酸镱晶须。热处理温度为800℃时，由于温度较低，熔盐的黏度较大，造成硅酸镱在液态熔盐中的过饱和度较低，生长动力不够充足，因此只能得到尺寸相对较小的短棒状硅酸镱晶须，同时还夹杂少量团聚硅酸镱短棒。

实施例2

一种Yb2Si2O7晶须的制备方法，包括以下步骤：

1)称取分析纯的Yb(NO)3·5H2O，充分溶于无水乙醇中，配制成浓度为 0.1mol/L的溶液，得到的溶液记为溶液A。

2)量取分析纯的TEOS(Si(OC2H5)4)，按照Yb(NO)3·5H2O:TEOS＝1:1 的摩尔比，将量取的TEOS加入到溶液A中，充分搅拌1.5h后得到溶液B。

3)将溶液B放入恒温反应器中，控制温度为60℃,干燥8h，得到粉体A。

4)将干燥后的粉体A放入坩埚中，置于马弗炉中200℃预烧处理2h，待自然冷却至室温，取出后得到粉体B。

5)选市售分析纯的氯化钠(NaCl)和氯化钾(KCl)，按照质量比NaCl:KCl ＝2:3，将粉体B与复盐均匀混合放入坩埚中，按照粉体B:NaCl-KCl＝1:1的质量比，将坩埚置于马弗炉中，控制温度900℃，控制时间3h，得到粉体C。将粉体C在9000r/min下，离心分离10min，收集沉淀，将沉淀，先后用蒸馏水及无水乙醇各自洗涤5次，最后在60℃的电热鼓风干燥箱中干燥3h，即可得到Yb2Si2O7晶须。

参见图1，从图中可以看出，如XRD图谱所示控制温度在下900℃便能形成硅酸镱晶相，且衍射峰明显，与PDF卡片74-2071保持一致。其原因是因为液相氯化钠-氯化钾复盐增加了反应物颗粒的扩散及碰撞几率，有利于降低反应的活化能及硅酸镱的合成温度。

实施例3

一种Yb2Si2O7晶须的制备方法，包括以下步骤：

1)称取分析纯的Yb(NO)3·5H2O，充分溶于无水乙醇中，配制成浓度为 0.1mol/L的溶液，得到的溶液记为溶液A。

2)量取分析纯的TEOS(Si(OC2H5)4)，按照Yb(NO)3·5H2O:TEOS＝1:1.5 的摩尔比，将量取的TEOS加入到溶液A中，充分搅拌1h后得到溶液B。

3)将溶液B放入恒温反应器中，控制温度为60℃,干燥8h，得到粉体A。

4)将干燥后的粉体A放入坩埚中，置于马弗炉中200℃预烧处理3h，待自然冷却至室温，取出后得到粉体B。

5)选市售分析纯的氯化钠(NaCl)和氯化钾(KCl)，按照质量比NaCl:KCl ＝1:2，将粉体B与复盐均匀混合放入坩埚中，按照粉体B:NaCl-KCl＝1:2的质量比，将坩埚置于马弗炉中，控制温度1000℃，控制时间3h，得到粉体C。将粉体C在10000r/min下，离心分离8min，收集沉淀，将沉淀，先后用蒸馏水及无水乙醇各自洗涤5次，最后在60℃的电热鼓风干燥箱中干燥3h，即可得到Yb2Si2O7晶须。