一种球形空心ZrTiO4陶瓷粉及其制备方法和应用与流程

本发明属于陶瓷技术领域，特别涉及一种球形空心zrtio4陶瓷粉及其制备方法和应用。

背景技术：

zrtio4陶瓷具有高的介电常数，在电讯方面介电损耗较低，广泛用于微波通信介质谐振器；此外，由于其断裂韧性高、耐磨性好、导热系数低，该材料也被用作功能陶瓷(如作为湿度传感器中的陶瓷材料)，并广泛应用于高温颜料和功能催化剂领域。此外，催化剂、传感器和生物活性膜材料等领域还对zrtio4陶瓷提出了比表面积大、化学纯度高、成分均匀性好的需求。

zrtio4陶瓷通常通过zrtio4陶瓷粉制备得到。目前，制备zrtio4陶瓷粉需要在1200～1600℃以上的温度条件下长时间加热zro2和tio2粉体，通过zro2和tio2反应而获得；为了获得细粒度的高质量zrtio4陶瓷粉，可在较低的加工温度下，采用溶胶-凝胶、共沉淀、水解等方法，但以上方法反应路线复杂，使用多种化学试剂，致使最终制备得到的zrtio4陶瓷粉化学纯度不高；此外，现有中空材料制备过程中一般需要使用模板，但后续煅烧过程中，易产生污染，降低产物的化学纯度，不利于保证并提高中空材料的化学纯度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种球形空心zrtio4陶瓷粉及其制备方法，本发明提供的球形空心zrtio4陶瓷粉的制备方法工艺简单，无需使用模板，且制得的zrtio4陶瓷粉化学纯度高，具有良好的中空形貌；本发明还提供了球形空心zrtio4陶瓷粉的应用。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种球形空心zrtio4陶瓷粉的制备方法，包括以下步骤：

将硼化锆、硼化钛、分散剂、粘结剂和水混合，进行球磨，得到浆料；

将所述浆料进行离心雾化处理，得到团聚粉末；

将所述团聚粉末依次进行排胶和烧结处理，得到烧结粉；

将所述烧结粉进行等离子喷射处理，得到所述球形空心zrtio4陶瓷粉。

优选的，所述硼化锆和硼化钛的摩尔比为1：1；所述分散剂的质量为硼化锆和硼化钛总质量的5～10％；所述粘结剂的质量为硼化锆和硼化钛总质量的5～10％；所述浆料的固含量为20～30％。

优选的，所述硼化锆的粒径为1～5μm；所述硼化钛的粒径为3～5μm。

优选的，所述离心雾化处理的进口温度为200～300℃，出口温度为100～150℃；所述团聚粉末的粒径为15～45μm。

优选的，所述排胶和烧结处理的背底真空度为10^-5～10^-3pa。

优选的，所述烧结处理的温度为1400～1500℃，时间为2～4h。

优选的，所述等离子喷射处理中等离子枪电流为600～700a，氩气流量为20～40l/min，氢气流量为10～12l/min。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的球形空心zrtio4陶瓷粉。

优选的，所述球形空心zrtio4陶瓷粉的粒径为15～45μm。

本发明还提供了上述技术方案所述球形空心zrtio4陶瓷粉在陶瓷领域中的应用。

本发明提供了一种球形空心zrtio4陶瓷粉的制备方法，包括以下步骤：将硼化锆、硼化钛、分散剂、粘结剂和水混合，进行球磨，得到浆料；将所述浆料进行离心雾化处理，得到团聚粉末；将所述团聚粉末依次进行排胶和烧结处理，得到烧结粉；将所述烧结粉进行等离子喷射处理，得到所述球形空心zrtio4陶瓷粉。本发明通过球磨将物料混合均匀，通过离心雾化处理获得快速干燥且粒径合适的团聚粉末，通过排胶和烧结处理使团聚粉末具有一定结构强度，不至于在送粉过程中破碎，降低粉末成分的均匀性，且提高了粉末流动性，便于送入等离子射流中间，最后利用等离子喷射产生的高温高速射流特性，实现制备原料快速反应、球化并形成中空结构，制备过程快，得到球形空心zrtio4陶瓷粉。本发明无需使用多种化学试剂，无需使用模板，直接获得球形且具有中空结构的zrtio4陶瓷粉，保证了产品的高纯度。

实施例测试结果表明，本发明提供的球形空心zrtio4陶瓷粉具有球形且中空的结构，dv(5)为15.5μm，dv(95)为43.7μm，粒径为15～45μm。

附图说明

图1为本发明实施例1所得球形空心zrtio4陶瓷粉的sem图；

图2为本发明实施例1所得球形空心zrtio4陶瓷粉截面形貌sem图；

图3为本发明实施例1所得球形空心zrtio4陶瓷粉粒径分布图。

具体实施方式

本发明提供了一种球形空心zrtio4陶瓷粉的制备方法，包括以下步骤：

将硼化锆、硼化钛、分散剂、粘结剂和水混合，进行球磨，得到浆料；

将所述浆料进行离心雾化处理，得到团聚粉末；

将所述团聚粉末依次进行排胶和烧结处理，得到烧结粉；

将所述烧结粉进行等离子喷射处理，得到所述球形空心zrtio4陶瓷粉。

在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

本发明将硼化锆、硼化钛、分散剂、粘结剂和水混合，进行球磨，得到浆料。

在本发明中，所述硼化锆和硼化钛的摩尔比优选为1：1。在本发明中，所述硼化锆的粒径优选为1～5μm，更优选为2～4μm；所述硼化钛的粒径优选为3～5μm，更优选为3.5～4.5μm。在本发明中，所述分散剂的质量优选为硼化锆和硼化钛总质量的5～10％，更优选为6～9％，再优选为7～8％。在本发明中，所述分散剂优选为阿拉伯树胶和/或柠檬酸。在本发明中，所述粘结剂的质量优选为硼化锆和硼化钛总质量的5～10％，更优选为6～9％，再优选为7～8％。在本发明中，所述粘结剂优选为聚乙二醇(peg)和/或基乙烯吡咯烷酮(pvg)。在本发明中，所述浆料的固含量优选为20～30％，更优选为22～28％，再优选为24～26％。

在本发明中，所述球磨的时间优选为2～4h，更优选为2.5～3.5h；本发明对所述球磨的转速没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的球磨转速即可。本发明通过球磨，使各物料混合均匀，同时有利于粘结剂作用，使细小颗粒团聚。

得到浆料后，本发明将所述浆料进行离心雾化处理，得到团聚粉末。

在本发明中，所述离心雾化处理的进口温度优选为200～300℃，更优选为220～280℃，再优选为240～260℃；出口温度优选为100～150℃，更优选为110～140℃，再优选为120～130℃。在本发明中，所述团聚粉末的粒径优选为15～45μm，更优选为20～40μm。在本发明中，所述离心雾化的设备优选为喷雾干燥设备。本发明通过离心雾化处理，使浆料快速干燥，同时在分散剂作用下获得粒径范围为15～45μm的团聚粉末。

得到团聚粉末后，本发明将所述团聚粉末依次进行排胶和烧结处理，得到烧结粉。

在本发明中，所述排胶和烧结处理的背底真空度优选为10^-5～10^-3pa。本发明对所述排胶的工艺没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的排胶工艺即可，具体的，如在300℃温度下处理2h进行排胶。在本发明中，所述烧结处理的温度优选为1400～1500℃，更优选为1420～1480℃，再优选为1440～1460℃；时间优选为2～4h，更优选为2.5～3.5h。在本发明中，所述排胶和烧结处理的设备优选为真空烧结炉。本发明通过烧结处理，使团聚粉末具有一定结构强度，不至于在送粉过程中破碎，降低粉末成分的均匀性，且能够提高粉末流动性，便于送入等离子射流中间。

得到烧结粉后，本发明将所述烧结粉进行等离子喷射处理，得到所述球形空心zrtio4陶瓷粉。

在本发明中，所述等离子喷射处理中等离子枪电流优选为600～700a，更优选为620～680a，再优选为640～660a；氩气流量优选为20～40l/min，更优选为23～37l/min，再优选为25～35l/min；氢气流量优选为10～12l/min，更优选为10.5～11.5l/min。在本发明中，所述等离子喷射处理的设备优选为等离子喷枪。在本发明中，所述等离子喷射处理的气氛优选为大气气氛。本发明利用等离子喷射产生的高温高速射流特性，实现制备原料快速反应、球化并形成中空结构，制备过程快，得到球形空心zrtio4陶瓷粉。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的球形空心zrtio4陶瓷粉。

在本发明中，所述球形空心zrtio4陶瓷粉的粒径优选为15～45μm，更优选为20～40μm。在本发明中，所述球形空心zrtio4陶瓷粉的纯度优选为大于99.9％。在本发明中，所述球形空心zrtio4陶瓷粉的壁厚优选为6～10μm，更优选为7～9μm；空心的直径优选小于等于33μm。

本发明还提供了上述技术方案所述球形空心zrtio4陶瓷粉在陶瓷领域中的应用。在本发明中，所述应用优选为将所述球形空心zrtio4陶瓷粉作为zrtio4陶瓷的制备原料。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的球形空心zrtio4陶瓷粉及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将123.8g硼化锆、76.2g硼化钛、10g分散剂阿拉伯树胶、10g粘结剂peg和去离子水，机械球磨2h后，获得固含量为20％的浆料；

将所得浆料泵入喷雾干燥设备，在雾化器高速离心雾化下，控制进口温度为200℃，出口温度为100℃，获得粒径范围为15～45μm的团聚粉末；

将所得团聚粉末置于真空烧结炉，背底真空抽至10^-5pa，先在300℃温度下2h进行排胶，然后在1400℃温度下烧结2h，得到烧结粉；

在大气环境下，将上述所得烧结粉送入等离子喷枪产生的高温高速射流中，设置等离子枪电流为650a，氩气流量为30l/min，氢气流量为10l/min，球化并形成中空结构，获得所述球形空心zrtio4陶瓷粉。

对所得球形空心zrtio4陶瓷粉进行扫描电镜测试，所得sem图见图1。由图1可见，本发明提供的球形空心zrtio4陶瓷粉具有球形外形。

对所得球形空心zrtio4陶瓷粉进行扫描电镜测试，所得sem图见图2。由图2可见，本发明提供的球形空心zrtio4陶瓷粉具有空心结构。

对所得球形空心zrtio4陶瓷粉的粒径进行统计，所得粒径分布图见图3。由图3可见，本发明提供的球形空心zrtio4陶瓷粉dv(5)为15.5μm，dv(95)为43.7μm，粒径为15～45μm，粒径分布合理。

采用近电感耦合等离子体-发射光谱测试(icp)所得球形空心zrtio4陶瓷粉纯度，测试结果为所述球形空心zrtio4陶瓷粉纯度大于99.9％。

实施例2

将185.7g硼化锆、114.3g硼化钛、15g分散剂柠檬酸、15g粘结剂pvg和去离子水，机械球磨2h后，获得固含量为30％的浆料；

将所得浆料泵入喷雾干燥设备，在雾化器高速离心雾化下，控制进口温度为200℃，出口温度为120℃，获得粒径范围为15～45μm的团聚粉末；

将所得团聚粉末置于真空烧结炉，背底真空抽至10^-5pa，先在300℃温度下2h进行排胶，然后在1400℃温度下烧结2h，得到烧结粉；

在大气环境下，将上述所得烧结粉送入等离子喷枪产生的高温高速射流中，设置等离子枪电流为700a，氩气流量为40l/min，氢气流量为12l/min，球化并形成中空结构，获得所述球形空心zrtio4陶瓷粉。

将所得球形空心zrtio4陶瓷粉收集并称重，以所得球形空心zrtio4陶瓷粉的质量除以制备时间，获得制备速度；所述球形空心zrtio4陶瓷粉的制备速度为2.0kg/h，制备速度快。

采用近电感耦合等离子体-发射光谱测试(icp)所得球形空心zrtio4陶瓷粉纯度，测试结果为所述球形空心zrtio4陶瓷粉纯度大于99.9％。

实施例3

将123.8g硼化锆、76.2g硼化钛、10g分散剂阿拉伯树胶、10g的粘结剂pvg和去离子水，机械球磨2h后，获得固含量为20％的浆料；

将所得浆料泵入喷雾干燥设备，在雾化器高速离心雾化下，控制进口温度为200℃，出口温度为100℃，获得粒径范围为15～45μm的团聚粉末；

将所得团聚粉末置于真空烧结炉，背底真空抽至10^-5pa，先在300℃温度下2h进行排胶，然后在1400℃温度下烧结2h，得到烧结粉；

在大气环境下，将上述所得烧结粉送入等离子喷枪产生的高温高速射流中，设置等离子枪电流为680a，氩气流量为30l/min，氢气流量为10l/min，球化并形成中空结构，获得所述球形空心zrtio4陶瓷粉。

采用近电感耦合等离子体-发射光谱测试(icp)所得球形空心zrtio4陶瓷粉纯度，测试结果为所述球形空心zrtio4陶瓷粉纯度大于99.9％。

由以上实施例可知，本发明提供的球形空心zrtio4陶瓷粉纯度大于99.9％，具有极高的纯度；且本发明提供的制备方法无需使用多种化学试剂，无需使用模板，直接获得球形且具有中空结构的zrtio4陶瓷粉，制备速度快，具有极大的产业价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。