本发明涉及一种制备方法，具体涉及一种纳米氧化锆粉末的制备方法，属于陶瓷粉末制备技术领域。
背景技术：
氧化锆因其独特的相变增韧效应，因此具有优异的力学性能如高的强度和韧性等。氧化锆同时具有低的热导率、高的氧离子通透性以及良好的生物相容性，被广泛用于结构陶瓷、高温隔热涂层、氧传感器、牙齿以及人工关节等。
根据温度不同，氧化锆具有单斜、四方和立方三种不同的相结构。室温下氧化锆为单斜相，在1100℃左右转化为四方相，四方相在2300℃左右转化为立方相。由于四方氧化锆具有最佳的力学性能，通常在制备时，采用添加一定量的相稳定剂(常用的是氧化钇，含量为3mol%)的方法，将四方相稳定至室温，以保证制品的最佳性能。
氧化锆陶瓷由于熔点高，脆性大，多采用粉末制坯并结合固相烧结的方式成型。为了获取最佳的力学性能，需要将制品的密度烧结到接近其理论值。粉末的烧结活性是决定氧化锆陶瓷可烧结性能和最终性能的核心。当粉末的烧结活性低时，往往需要在更高的温度下烧结，不仅生产成本高，同时也会导致产品局部过烧而出现报废。提高粉末的烧结活性不仅可以降低烧结温度，同时也能提升产品性能及合格率。
现有提高氧化锆粉末烧结活性的主要方法是降低其晶粒尺寸。当粉末中不含有硬团聚时，粉末的晶粒尺寸越小，其比表面积就越大，烧结活性就越高。有研究表明，当粉末的晶粒尺寸从微米级降低至100nm以内，并且粉末中硬团聚体尺寸小或者不含硬团聚体时，氧化锆陶瓷的烧结温度可以从1600℃以上降至1200℃以内。同时由于晶粒细化，陶瓷的弯曲强度、断裂韧性等均有明显提升。因此，无硬团聚体或硬团聚体尺寸小的高性能纳米氧化锆粉末的制备技术一直以来都是氧化锆陶瓷领域研究的热点。
现有纳米氧化锆粉末的制备方法主要有水解法、共沉淀法、溶胶凝胶法、水热法、气相法等，每种制备方法均有优缺点。例如水解法，工艺时间长，能耗高，对设备腐蚀大；溶胶凝胶法的原材料昂贵；水热法和气相法设备投资大，单炉次产量低等。相比而言，共沉淀法具有原材料价格低，工艺设备简单，单炉次产量高等优点，目前被广泛使用。
共沉淀法的基本原理是采用碱性沉淀剂将锆离子以氢氧化锆的形式沉淀下来，然后在1000-1100℃之间对氢氧化锆进行煅烧以脱去羟基，使其转化为氧化锆。由于经过了高温过程，煅烧后形成的纳米氧化锆中存在大量的大尺寸硬团聚体。为了消除硬团聚体或减小硬团聚体的尺寸，需要在沉淀、洗涤和球磨等阶段加入分散剂。但是，基于球磨对直径在几百纳米的硬团聚体的分散能力低，所需的球磨时间长且无法完全打开硬团聚体。采用该类粉末制备的氧化锆陶瓷，不仅不能有效降低烧结温度，同时由于存在大气孔等缺陷而难以获得高的制品密度。因此，迫切的需要一种新的方案解决该技术问题。
技术实现要素：
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种纳米氧化锆粉末制备方法，该技术方案避免了传统共沉淀法中存在的煅烧温度高、球磨时间长、硬团聚体尺寸大等问题，采用该方法制备纳米氧化锆粉末，分散性好，硬团聚体尺寸小。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种纳米氧化锆粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将水溶性锆盐和钇盐加入去离子水溶解，并将两溶液均匀混合，得到混合溶液。其中，钇离子含量(y3+/(zr4++y3+））位于(2~4）mol%之间；
步骤二、配制碱性沉淀剂溶液，并将步骤一制备的混合溶液缓慢滴加到碱性沉淀剂溶液中，滴加过程中不断搅拌；再依次对沉淀物进行过滤和干燥，得到固体混合物；
步骤三、将步骤二中所述固体混合物在800℃~900℃之间煅烧2~5小时后；自然降温至100~300℃之间时，通入水蒸气进行气蒸，保持压力在0.5~10mpa之间，气蒸1~10小时后自然冷却至室温；
步骤四、将步骤三中所述的产物加入水和分散剂，进行球磨，球磨时间为1~10小时；
步骤五、将步骤四中所述的球磨后浆料进行过滤、洗涤和干燥，即得纳米氧化锆粉末。其中，洗涤采用乙醇的水溶液，乙醇与水之比为(2.5~3)：1。
作为本发明的一种改进，步骤二中所述碱性沉淀剂为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。添加后溶液的浓度为（2~10）mol%。
作为本发明的一种改进，所述步骤四中所述分散剂为聚丙烯酸或其铵盐，其加入量为氧化锆粉末重量的(0.5~5)%。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：在制备过程中通过增加了气蒸环节，能够获取更优性能的制品。其技术原理如下：现有的共沉淀技术中，氢氧化锆在煅烧过程中因脱去羟基，在粒子之间产生了锆氧锆键和氢键等，是粉末中存在难以分散的硬团聚体的核心原因，硬团聚体极难通过球磨等方式来分散。大量的研究表明，氧化锆在室温~600℃之间、有水存在的情况下，氧化锆会发生“低温老化”效应，也即氧化锆陶瓷会出现开裂或粉化。造成这种现象的可能原因是氢氧根离子进入四方氧化锆的晶格中，使晶格畸变而产生应力，导致晶界开裂；也有理论认为是氧化锆表面特性发生变化。本技术方案正是利用氧化锆的这一特点，增加气蒸工步，将粉末煅烧时产生的硬团聚体中的锆氧锆键破坏，降低硬团聚体的尺寸，再通过球磨和分散剂来提升粉末的分散性。研究表明，在100℃~300℃之间的压力环境下，氧化锆发生“低温老化”的速度最快，因此选择在该温度区间进行气蒸，可以提高“老化速度”，提升生产效率。
虽然该技术方案增加了气蒸工步，但由于初始煅烧温度仅为800℃~900℃，与传统的共沉淀法在在1000℃~1100℃之间对粉末进行煅烧相比，整体上并未明显增加成本。同时，由于粉末中硬团聚体数量和尺寸大幅减少，使后续陶瓷的烧结温度和废品率也明显降低，综合成本效益明显。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合实施例做详细的说明。
实施例1：一种纳米氧化锆粉末粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将氧氯化锆和氯化钇加入去离子水溶解，并将两溶液均匀混合，得到混合溶液，其中，钇离子含量(y3+/(zr4++y3+））为2.5mol%；
步骤二、配制浓度为3mol/l的naoh溶液，并将步骤一制备的混合溶液缓慢滴加到naoh溶液中，在滴加过程中不断搅拌，滴加完成后，对沉淀物进行过滤和干燥，得到固体混合物；
步骤三、将步骤二中所述固体混合物在850℃下煅烧5小时后；降温至180℃时，在炉内通入水蒸气，保持压力为1.2mpa，气蒸为5小时后自然冷却至室温；
步骤四、将步骤三中所述的产物加入水和聚丙烯酸铵，其中，所加入聚丙烯酸铵量为氧化锆粉末重量的2%，球磨5小时；
步骤五、将步骤四中所述的球磨后浆料进行过滤后，采用乙醇溶液（乙醇和水之比为3：1）反复洗涤5次后，在110℃下干燥，即得纳米氧化锆粉末。
实施例2：一种纳米氧化锆粉末粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将氧氯化锆和氯化钇加入去离子水溶解，并将两溶液均匀混合，得到混合溶液，其中，钇离子含量(y3+/(zr4++y3+））为3mol%；
步骤二、配制浓度为5mol/l的naoh溶液，并将步骤一制备的混合溶液缓慢滴加到naoh溶液中，在滴加过程中不断搅拌，滴加完成后，对沉淀物进行过滤和干燥，得到固体混合物；
步骤三、将步骤二中所述固体混合物在800℃下煅烧5小时后；降温至120℃时，在炉内通入水蒸气，保持压力为0.6mpa，气蒸为8小时后自然冷却至室温；
步骤四、将步骤三中所述的产物加入水和聚丙烯酸铵，其中，所加入聚丙烯酸铵量为氧化锆粉末重量的4%，球磨6小时；
步骤五、将步骤四中所述的球磨后浆料进行过滤后，采用乙醇溶液（乙醇和水之比为2.8：1）反复洗涤5次后，在110℃下干燥，即得纳米氧化锆粉末。
实施例3：一种纳米氧化锆粉末粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将氧氯化锆和氯化钇加入去离子水溶解，并将两溶液均匀混合，得到混合溶液，其中，钇离子含量(y3+/(zr4++y3+））为3.5mol%；
步骤二、配制浓度为8mol/l的naoh溶液，并将步骤一制备的混合溶液缓慢滴加到naoh溶液中，在滴加过程中不断搅拌，滴加完成后，对沉淀物进行过滤和干燥，得到固体混合物；
步骤三、将步骤二中所述固体混合物在900℃下煅烧3小时后；降温至250℃时，在炉内通入水蒸气，保持压力为8mpa，气蒸为2小时后自然冷却至室温；
步骤四、将步骤三中所述的产物加入水和聚丙烯酸铵，其中，所加入聚丙烯酸铵量为氧化锆粉末重量的2%，球磨4小时；
步骤五、将步骤四中所述的球磨后浆料进行过滤后，采用乙醇溶液（乙醇和水之比为3：1）反复洗涤5次后，在110℃下干燥，即得纳米氧化锆粉末。
实施例4：一种纳米氧化锆粉末粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将氧氯化锆和氯化钇加入去离子水溶解，并将两溶液均匀混合，得到混合溶液，其中，钇离子含量(y3+/(zr4++y3+））为3.1mol%；
步骤二、配制浓度为4mol/l的naoh溶液，并将步骤一制备的混合溶液缓慢滴加到naoh溶液中，在滴加过程中不断搅拌，滴加完成后，对沉淀物进行过滤和干燥，得到固体混合物；
步骤三、将步骤二中所述固体混合物在880℃下煅烧3小时后；降温至210℃时，在炉内通入水蒸气，保持压力为1.7mpa，气蒸为4小时后自然冷却至室温；
步骤四、将步骤三中所述的产物加入水和聚丙烯酸铵，其中，所加入聚丙烯酸铵量为氧化锆粉末重量的2.5%，球磨4小时；
步骤五、将步骤四中所述的球磨后浆料进行过滤后，采用乙醇溶液（乙醇和水之比为3：1）反复洗涤5次后，在110℃下干燥，即得纳米氧化锆粉末。
实施例5：一种纳米氧化锆粉末粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将氧氯化锆和氯化钇加入去离子水溶解，并将两溶液均匀混合，得到混合溶液，其中，钇离子含量(y3+/(zr4++y3+））为3mol%；
步骤二、配制浓度为6mol/l的naoh溶液，并将步骤一制备的混合溶液缓慢滴加到naoh溶液中，在滴加过程中不断搅拌，滴加完成后，对沉淀物进行过滤和干燥，得到固体混合物；
步骤三、将步骤二中所述固体混合物在900℃下煅烧2小时后；降温至300℃时，在炉内通入水蒸气，保持压力为8.8mpa，气蒸为1小时后自然冷却至室温；
步骤四、将步骤三中所述的产物加入水和聚丙烯酸铵，其中，所加入聚丙烯酸铵量为氧化锆粉末重量的4.5%，球磨4小时；
步骤五、将步骤四中所述的球磨后浆料进行过滤后，采用乙醇溶液（乙醇和水之比为3：1）反复洗涤5次后，在110℃下干燥，即得纳米氧化锆粉末。
为对比性能，采用传统沉淀法纳米氧化锆制备粉末，其中步骤一、二与本发明相同，步骤三为在1050℃下煅烧2小时；步骤四为球磨50小时。采用激光粒度仪测试让你得的粉末粒径公布如表1所示，可以看出，采用本发明制备的粉末，其团聚体尺寸明显减小。
表1两种方法粉末团聚体尺寸分布
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。