专利名称：镍—氧化锆金属陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镍-氧化锆金属陶瓷的制备方法。
背景技术：
镍-氧化锆(Ni-ZrO2)金属陶瓷广泛应用于固体燃料电池(SOFC)阳极材料、功能梯度材料、陶瓷薄膜和氧传感器中。一般采用普通球磨或高能球磨(机械合金化)的方法制备该材料，即将氧化镍(NiO)粉末、氧化锆(ZrO2)粉末、以及稳定剂如氧化钇(Y2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钙(CaO)粉末混合烧结后用氢气(H2)、惰性气体-氢气混合气、一氧化碳气(CO)、一氧化碳-二氧化碳(CO/CO2)混合气还原或直接将金属镍(Ni)粉末、氧化锆粉末与稳定剂粉末混合烧结而成(D.W.Dees et al.，Conductivity of PorousNi/ZrO2-Y2O3Cermets，J Electrochemical Soc，1987，134(9)2141-2146；复合金属陶瓷制品及其制造方法，中国发明专利ZL 95 1 97006.6，1995年10月30日；金属陶瓷及其制备方法，中国发明专利ZL 94 1 02287.6，1994年3月10日)。
由于Ni与ZrO2不完全润湿(118°，1500℃，真空)，完全不溶解，热膨胀系数相差很大(Ni20×10-6/℃；ZrO2550×10-6/℃)，所以目前所制备的这种金属陶瓷的性能还存在许多缺陷，如强度低、脆性大、热电性能不能按金属与陶瓷组份有效匹配。
究其原因，采用球磨方法难以达到分子级或纳米级的均匀复合，即使用高能球磨也只能得到纳米粒子与亚微颗粒的混合物，得到均匀纳米粒子十分困难，并且混合过程很容易造成组分和粒度的分布不均匀、掺杂。
因此，低微层次复合特别是液相复合技术才是制备理想金属陶瓷的必由之路，随着纳米复合技术的发展，高性能Ni-ZrO2金属陶瓷的制备成为可能。
纳米复合金属陶瓷的热载子(声子-电子)的特征长度(如平均自由程)因纳米化已变得可以比拟，这时反映物质力学性能的物性参数(如硬度、弹性模量、强度)、反映能量输运规律的物性参数(如热导率、比热容)、反映物质电磁学性能的物性参数(如电导率、磁导率)等都会体现出鲜明的尺度依赖性，纳米陶瓷相具有绝缘、隔热特性，而纳米金属相具有高电导、高热导特性，其在功能-结构方面的性能将与微米或亚微米材料显著不同。所以，本发明的相关研究已成为当前国内外材料研究的热点。
目前，镍-氧化锆金属陶瓷的液相制备方法如下所述I.共沉淀法选择适当的沉淀剂，使溶液中的所有金属离子同时满足沉淀条件，共同沉淀的方法( M et al.Preparation of Ni-YSZ composite materials for solid oxidefuel cell anodes by the gel-precipitation method，J Power Sources 2000；86，383-389；TPLockhalt et al.US Patent No.5261944，16 Nov.1993)。该法可制备分布均匀、颗粒细小的粉末，但其本质上仍是分别沉淀，所以化学计量容易发生偏差，沉淀物的均匀分布性只能达到沉淀物微粒的粒径层次上(所得沉淀物的粒径无论是主成分还是微量成分几乎相同)，并且经常难以找到合适的沉淀剂，可认为还是固相混合法。另有研究者提出了一些改进的沉淀法，如均匀沉淀法、缓冲溶液法等，但上述问题未根本解决。
II.溶液燃烧合成法氧化物粉末前驱体以溶液的自燃烧方法合成，可不需经过中间过程直接制备最终粉末，但原料来源苛刻、反应过程难以控制，难以得到准确化学计量的产物(Kim S J et al.Preparation of nanocrystalline nickel oxide-yttria-stabilized zirconiacomposite powder by solution combustion with ignition of glycine fuel，J Mater Res 2001；16(12)3621-3627)。
III.溶胶-凝胶法以镍、锆、钇的可溶性金属醇盐，通过水解和缩聚反应获得纳米复合的NiO-ZrO2和Ni-ZrO2材料。该法在制备材料初期就进行控制，使均匀性可达到亚微米、纳米级甚至分子级水平。但要得到所有复合条件的相关醇盐极为困难甚至不可能，即使有其价格也将非常昂贵。
为此，本发明人提出了现在这种改性的溶胶-凝胶法，既继承了上述溶胶-凝胶法的优点，又具有反应温度低、粉末粒径小、分布窄、原料成本低，不需要非常规的制备条件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种制备镍-氧化锆金属陶瓷的方法。
本发明的目的是以如下方式实现的附图
为镍-氧化锆金属陶瓷的制备方法简图，下面结合简图对本发明进行说明。
镍盐(1)、锆盐(2)、稳定剂(3)选用其可溶性的无机盐、乙酸盐、草酸盐、金属醇盐，摩尔浓度为0.5～4.0M，pH＝1～6。其中稳定剂为钇盐、铈盐、钙盐、镁盐或其它稀土元素的盐中的一种或几种，稳定剂的种类和掺量按氧化锆系列材料的要求选择(中国发明专利，ZL 94 1 20137.6，1994年12月29日)。
溶剂(4)为水、氨水-铵盐溶液、醇水、酮水、有机胺、有机酸中的一种，摩尔浓度不大于3.0M，pH＝1～8。溶剂提供了络合反应的场所，并通过改变溶胶基团的亲和性使其稳定分散。
外加剂溶液(5)是将位阻分散剂(羟基丙基纤维素HPC、丙烯酸-马来酸共聚物、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、油酸)、位阻分散剂(十二烷基苯磺酸DBS、聚乙二醇PEG、聚丙烯酸PAA、聚乙二醇辛基苯基醚OP、吐温、氨基酸、甜菜碱、咪唑啉、烷基醇酰胺、甲基丙烯酸甲酯)、乳化剂(壬二酸二乙脂、环己烷-聚氧乙烯-4-十二烷基醚ICI、环己烷-正己醇-辛烷基苯酚聚氧乙烯醚Triton)中的一种或几种溶解在水中形成的，重量浓度为1～5wt.％。外加剂通过空间位阻效应、胶团表面动电位、颗粒表面空缺效应、表面改性、表面活化、微区成核生长控制机制使溶胶稳定。
氨羧络合剂溶液(6)是将乙二胺四乙酸EDTA、环己烷二胺四乙酸DCTA、二乙撑三胺DETA、三乙撑四胺Trien、四乙撑五胺Tetren、五乙撑六胺Penten、甘氨酸、氨三乙酸NTA、二乙三胺五乙酸DPTA、三乙四胺六乙酸TTHA中的一种或几种溶解在水中形成的，摩尔浓度为0.1～2.0M，pH＝1～6。氨羧络合剂提供有机聚合官能团以改变原料的溶解性和反应活性。
将上述镍盐(1)、锆盐(2)、稳定剂(3)和溶剂(4)按所需制备的金属陶瓷的化学成分配成混合溶液，再将混合溶液、外加剂溶液(5)和氨羧络合剂溶液(6)按100∶1∶10的体积比例混合，在5～50℃均匀搅拌(7)，发生反应成为络合物溶胶，溶胶经过105～200℃、12～72小时干燥(8)成为凝胶，凝胶经过400～700℃、1～4小时预烧(9)，得到氧化镍-氧化锆纳米复合粉末，用这种粉末制备金属陶瓷采用两条路线a.氧化镍-氧化锆纳米复合粉末经过成型过程A、在大气下经过1000～1500℃、1～4小时烧成(10)，得到氧化镍-氧化锆复相陶瓷，此复相陶瓷在还原性气氛下经过800～1200℃、1～4小时还原过程A(11)，制得镍-氧化锆金属陶瓷；b.氧化镍-氧化锆纳米复合粉末在还原性气氛下经过600～1000℃、1～4小时还原过程B(12)，得到镍-氧化锆纳米复合粉末，镍-氧化锆纳米复合粉末经过成型过程B，在真空、还原性气氛或惰性气氛下经过1000～1500℃、1～4小时烧成(13)，制得镍-氧化锆金属陶瓷。其中还原性气氛是纯氢气、惰性气体-氢气(比例为5∶95～95∶5)、纯一氧化碳气、一氧化碳-二氧化碳混合气(比例为5∶95～95∶5)中的一种。
本发明的优点在于(一)外加剂通过空间位阻效应、胶团表面动电位、颗粒表面空缺效应、表面改性、表面活化、微区成核生长控制机制使溶胶稳定；(二)溶剂提供络合反应的场所，并通过改变溶胶基团的亲和性使其稳定分散；(三)氨羧络合剂提供有机聚合官能团以改变原料的溶解性和反应活性；(四)纳米复合氧化物粉末经过原位还原反应制得所需的镍-氧化锆金属陶瓷。
本发明克服了其它制备方法中金属相和陶瓷相分布不均、工艺难以控制的缺点，原料易得、无污染、化学成分和相组份易控、工艺简捷、性价比高。可以推广到研制兼具陶瓷和金属优异性能的材料，如“高硬、高强”、“绝缘、高热导”、“高强、高电导”、“热-电转换”等新型高技术结构和功能材料。
具体实施方案实例1将4M的硝酸镍、2M的氯氧化锆、0.5M的氯化钇和3M的醇水溶液按所需制备的25Ni-7Y2O3-ZrO2金属陶瓷的化学成分配成混合溶液，再将混合溶液、1wt.％的羟基丙基纤维素溶液和0.1M的氨三乙酸NTA溶液按100∶1∶10的体积比例混合，在5～50℃均匀搅拌，发生反应成为络合物溶胶，溶胶经过200℃、12小时干燥得到凝胶，将凝胶经过400℃、4小时预烧得到NiO-ZrO2纳米复合粉末，用X射线衍射线宽度法分析表明，粉末平均晶粒粒径为9.2nm。将此粉末成型后在大气下经过1000℃、4小时烧成得到NiO-ZrO2复相陶瓷。NiO-ZrO2复相陶瓷在纯氢气中，经过1200℃、1小时还原成Ni-ZrO2金属陶瓷，扫描电镜(SEM)分析表明，Ni与ZrO2的相分布极为均匀，X射线衍射分析(XRD)表明，金属陶瓷中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相，洛氏硬度HRA＝58，1000℃时的热膨胀率为10.7×10-6K-1，1000℃时的电导率为0.03S/cm。
实例2将0.5M的草酸镍、2M的乙酸锆、4M的硝酸镁和2M的柠檬酸溶液按所需制备的25Ni-20MgO-ZrO2金属陶瓷的化学成分配成混合溶液，再将混合溶液、5wt.％的聚丙烯酰胺、5wt.％壬二酸二乙脂溶液、3M的二乙撑三胺DETA、3M的三乙撑四胺Trien溶液按100∶0.5∶0.5∶5∶5的体积比例混合，在5～50℃均匀搅拌，发生反应成为络合物溶胶，溶胶经过105℃、72小时干燥得到凝胶，将凝胶经过700℃、1小时预烧得到NiO-ZrO2纳米复合粉末，用X射线衍射线宽度法分析表明，粉末平均晶粒粒径为8.7nm。将此粉末成型后在大气下经过1500℃、1小时烧成NiO-ZrO2复相陶瓷。NiO-ZrO2复相陶瓷在一氧化碳-二氧化碳混合气(比例为5∶95)中，经过800℃、4小时还原成Ni-ZrO2金属陶瓷，XRD分析表明，金属陶瓷中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相，HRA＝60，1000℃时的热膨胀率为9.8×10-6K-1。
实例3将2M的氯化镍、1M的氯化锆、2M的氯化钙、2M的氯化镁和1M的甲酸溶液按所需制备的35Ni-10MgO-10CaO-ZrO2金属陶瓷的化学成分配成混合溶液，再将混合溶液、2.5wt.％的聚乙二醇PEG溶液、3M的四乙撑五胺Tetren、3M的五乙撑六胺Penten溶液按100∶1∶5∶5的体积比例混合，在5～50℃均匀搅拌，发生反应成为络合物溶胶，溶胶经过160℃、48小时干燥得到凝胶，将凝胶经过550℃、2.5小时预烧得到NiO-ZrO2纳米复合粉末，用X射线衍射线宽度法分析表明，粉末平均晶粒粒径为6.3nm。将此粉末成型后在大气下经过1300℃、2.5小时烧成NiO-ZrO2复相陶瓷。NiO-ZrO2复相陶瓷在一氧化碳-二氧化碳混合气(比例为95∶5)中，经过1100℃、2.5小时还原成Ni-ZrO2金属陶瓷，扫描电镜(SEM)分析表明，Ni与ZrO2的相分布极为均匀，XRD分析表明，金属陶瓷中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相，HRA＝54，1000℃时的热膨胀率为10.9×10-6K-1。
实例4将0.5M的草酸镍、2M的草酸锆、4M的硝酸铈和4M的醇水溶液按所需制备的17Ni-34CeO2-ZrO2金属陶瓷的化学成分配成混合溶液，再将混合溶液、2.5wt.％的吐温、2.5wt.％聚苯乙烯溶液和1.5M的环己烷二胺四乙酸DCTA溶液按100∶0.5∶0.5∶10的体积比例混合，在5～50℃均匀搅拌，发生反应成为络合物溶胶，溶胶经过105℃、72小时干燥得到凝胶，将凝胶经过700℃、1小时预烧得到NiO-ZrO2纳米复合粉末，用X射线衍射线宽度法分析表明，粉末平均晶粒粒径为5.5nm。将此粉末在一氧化碳-二氧化碳混合气(比例为5∶95)中，经过600℃、4小时还原成Ni-ZrO2纳米复合粉末，用X射线衍射线宽度法分析表明，粉末平均晶粒粒径为26.2nm，XRD分析表明，粉末中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相。将Ni-ZrO2纳米复合粉末成型后放在氩气保护的热压炉中进行烧结，经过1500℃、1小时烧成Ni-ZrO2金属陶瓷，SEM分析表明，Ni与ZrO2的相分布极为均匀，XRD分析表明，金属陶瓷中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相。HRA＝61。
实例5将4M的硝酸镍、0.5M的乙醇锆、1M的氯化钇、1M的氯化铈和1M的尿素CO(NH2)2溶液按所需制备的25Ni-3.5Y2O3-29CeO2-ZrO2金属陶瓷的化学成分配成混合溶液，再将混合溶液、5wt.％的丙烯酸-马来酸共聚物、5wt.％的十二烷基苯磺酸DBS溶液、0.1M的二乙三胺五乙酸DPTA溶液按100∶0.5∶0.5∶10的体积比例混合，在5～50℃均匀搅拌，发生反应成为络合物溶胶，溶胶经过200℃、12小时干燥得到凝胶，将凝胶经过400℃、4小时预烧得到NiO-ZrO2纳米复合粉末，用X射线衍射线宽度法分析表明，粉末平均晶粒粒径为7.1nm。将此粉末在一氧化碳-二氧化碳混合气(比例为95∶5)中，经过1000℃、1小时还原成Ni-ZrO2纳米复合粉末，用X射线衍射线宽度法分析表明，粉末平均晶粒粒径为28.3nm，XRD分析表明，粉末中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相。将Ni-ZrO2纳米复合粉末成型后放在真空炉中进行烧结，经过1000℃、4小时烧成Ni-ZrO2金属陶瓷，XRD分析表明，金属陶瓷中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相。HRA＝62。
实例6将2.5M的硝酸镍、4M的氯氧化锆、0.5M的硝酸钇和蒸馏水按所需制备的金属陶瓷的化学成分40Ni-6Y2O3-ZrO2配成混合溶液，再将混合溶液、1wt.％的氨基酸溶液和1.5M的乙二胺四乙酸EDTA溶液按100∶1∶10的体积比例混合，在5～50℃均匀搅拌，发生反应成为络合物溶胶，溶胶经过150℃、50小时干燥得到凝胶，将凝胶经过550℃、2.5小时预烧得到NiO-ZrO2纳米复合粉末，高分辨透射电镜(HRTEM)分析表明，粉末粒径在5-15nm范围。将此粉末在氢气中，经过800℃、2.5小时还原成Ni-ZrO2纳米复合粉末，高分辨透射电镜(HRTEM)分析表明，粉末粒径在25-35nm范围，用能谱并结合形貌分析表明，Ni与ZrO2形成了纳米级的复合，X射线衍射分析(XRD)表明，粉末中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相。将Ni-ZrO2纳米复合粉末成型后放在氩气保护的热压炉中进行烧结，经过1300℃、2.5小时烧成Ni-ZrO2金属陶瓷，其洛氏硬度HRA＝47，XRD分析表明，金属陶瓷中只含有金属Ni相和ZrO2陶瓷相，1000℃时的热膨胀率为12.8×10-6K-1，电导率为0.4S/cm。
权利要求
1.镍-氧化锆金属陶瓷的制备方法其特征在于将摩尔浓度均为0.5～4.0M，pH＝1～6的镍盐、锆盐、稳定剂和摩尔浓度不大于3.0M，pH＝1～8的溶剂按所需制备的金属陶瓷的化学成分配成混合溶液，再将混合溶液、重量浓度为1～5wt.％的外加剂溶液和摩尔浓度为0.1～2.0M，pH＝1～6的氨羧络合剂溶液按100∶1∶10的体积比例混合，在5～50℃均匀搅拌，发生反应成为络合物溶胶，溶胶经过105～200℃、12～72小时干燥成为凝胶，凝胶经过400～700℃、1～4小时预烧，得到氧化镍-氧化锆纳米复合粉末，用这种粉末制备金属陶瓷采用两条路线a.氧化镍-氧化锆纳米复合粉末经过成型、在大气下经过1000～1500℃、1～4小时烧成，得到氧化镍-氧化锆复相陶瓷，此复相陶瓷在还原性气氛下经过800～1200℃、1～4小时还原，制得镍-氧化锆金属陶瓷；b.氧化镍-氧化锆纳米复合粉末在还原性气氛下经过600～1000℃、1～4小时还原，得到镍-氧化锆纳米复合粉末，镍-氧化锆纳米复合粉末经过成型，在真空、还原性气氛或惰性气氛下经过1000～1500℃、1～4小时烧成，制得镍-氧化锆金属陶瓷；其中稳定剂为钇盐、铈盐、钙盐、镁盐或其它稀土元素的盐中的一种或几种，稳定剂的种类和掺量按氧化锆系列材料的要求选择；溶剂为水、氨水-铵盐溶液、醇水、酮水、有机胺、有机酸中的一种；外加剂是将位阻分散剂、表面活性剂、乳化剂中的一种或几利溶解在水中形成的；氨羧络合剂溶液是将氨羧络合剂中的一种或几种溶解在水中形成的；还原性气氛是纯氢气、惰性气体-氢气(比例为5∶95～95∶5)、纯一氧化碳气、一氧化碳-二氧化碳混合气(比例为5∶95～95∶5)中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种镍－氧化锆金属陶瓷的制备方法。将镍盐、锆盐、稳定剂和溶剂按所需成分配成混合溶液,再将混合溶液、外加剂和氨羧络合剂按比例混合形成溶胶,溶胶经干燥成为凝胶,凝胶经预烧得到氧化镍－氧化锆纳米复合粉,用该氧化物粉制备金属陶瓷有两条路线:a.该氧化物粉经成型、大气烧成得到氧化镍－氧化锆复相陶瓷,再经还原制得镍－氧化锆金属陶瓷;b.该氧化物粉还原得到镍－氧化锆纳米复合粉,再经成型,在真空、还原气氛或惰性气氛下烧成,制得镍－氧化锆金属陶瓷。本发明原料易得、无污染、化学成分和相组份易控、工艺简捷。
文档编号C04B35/624GK1375480SQ0211571
公开日2002年10月23日 申请日期2002年4月12日 优先权日2002年4月12日
发明者邵刚勤, 谢济仁, 段兴龙, 蔡虎, 余晓华, 袁润章 申请人:武汉理工大学