一种硅酸钇纳米粉体的制备方法

专利名称：一种硅酸钇纳米粉体的制备方法
技术领域：
本发明属于材料化工领域，具体涉及一种硅酸钇纳米粉体的制备方法。
背景技术：
硅酸钇材料具有高熔点(Y2Si05、 Y2SiA和Y4SiA2的熔点分别为1980 °C、 1775-C和195CTC)、低高温氧气渗透率、低热膨胀系数、低杨氏模量、 低热传导率、低高温挥发率、耐化学腐蚀以及化学和热力学稳定等物理 化学特性。使其可以作为高性能结构材料(如石墨、C/C复合材料及SiC 结构陶瓷等)的高温抗氧化涂层材料、光学基质材料和介电材料等。
目前制备硅酸钇晶体的方法主要有固相反应法、水热法以及溶胶-凝 胶法等。但是由于硅酸钇的晶型多且结构复杂，上述方法普遍需要高温(如 固相反应法需要1500-1700 °C)或长时间(如水热法需要24-200h)来获得具 有预期结构的硅酸钇晶体。
在制备硅酸钇的研究中，张榔等(张榔，王四，陈杏达等，稀土正硅 酸盐一 Y2Si0s单晶体的提拉法生长.人工晶体学报[J].1998; 27 (1) 43-46. )Y203和Si02为原材料，经IOO(TC灼烧后再秤重，充分均匀混合后， 放在特制的模具中.经3GPa压力下压成块，再于140(TC下烧结16 h之后 密封保存备用。其制备方法工艺复杂，且需要高温长时间。Darnien Boyer， (Damien Boyer， Brian Derby, Yttrium Silicate Powders Produced by the Sol - Gel Method, Structural and Thermal Characterization. J. Am. Ceram[J]. 2003， 86 [9] 1595 - 1597)以YC13， Pr0H， TE0S等为原料，
在溶胶-凝胶法制备出Y2Si05，其工艺复杂，周期较长，存在杂质。Ana I. Becerro等(Anal. Becerro, Moise ' s Naranjo, Ana C. Perdigo'n, and Jose'M.Trillo Hydrothermal Chemistry of Silicates: Low-Temperature Synthesis of y-Yttrium Disilicate. J. Am. Ceram. 2003. 86 [9] 1592 - 1594.)以Y203, Si02为主要原料，在高温下合成硅 酸钇，其制备温度过高，不利于大批量生产。黄剑锋等(黄剑锋,邓飞,曹 丽云等.声化学法可控合成硅酸钇纳米晶，人工晶体学报 [J]. 2007. 36(2). 463-465.)以Y(N0》3， Na2Si03， Na0H为原料，采用声化 学法制备硅酸钇，其无法从液相中直接制备硅酸忆，需要90(TC退火2h， 其结果也不能制备较纯的硅酸钇。
微波水热法合成氧化物晶体颗粒的研究，是近年才开展起来的，但已 得到越来越多的关注和重视。与常规水热法及常规化学法合成的粉体相 比，有粒径分布窄、分散性好、团聚少、晶粒完整且结晶性好等优点，合 成速率和效率也都比传统水热法高很多。

发明内容
本发明的目的在于提出一种硅酸钇纳米粉体的制备方法，即采用微波 水热法，此方法能够制备出质量较高的硅酸钇纳米粉体。由于反应在液相 中完成，工艺设备简单，所得硅酸钇纳米粉体粒径分布窄，晶型可控，反 应周期短，重复性好。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是
1)分别将分析纯的Y(N03)3 6H20、 Na2Si03 9H20和Na0H加入蒸馏水 中，并不断搅拌，配制成浓度为0. 5-0. 8mol/L的透明溶液，其中Y(N0》3: Na2Si03: NaOH的摩尔比为2: 1-2: 2-6，并不断搅拌，形成前驱物溶液，
所得溶液记为A溶液；
2) 将上述制备的A溶液倒入水热反应釜中，填充度控制在60-80%; 然后密封水热反应釜，将其放入MDS-6型温压双控微波水热反应仪中；将 水热温度控制在120-180°C，反应时间控制在10min-60min,反应结束后 自然冷却到室温，所得溶液记为B溶液；
3) 打开水热反应釜，将B溶液通过滤纸抽滤收集，然后分别采用去 离子水、无水乙醇或异丙醇洗涤，于电热鼓风干燥箱中在80-12(TC下干燥 0. 5-lh即得含有硅酸钇纳米粉体的产物C。
本发明在产物C中加入其质量百分比为2%的LiF，然后放入箱式电 阻炉中，控制升温速率为4°C/min自室温升温至400'C-90(TC并保温2h, 随炉冷却至室温即得硅酸钇纳米粉体。
本发明采用微波水热法，在不同的温度下能够快速地制备出晶型和尺 寸可控的硅酸钇纳米粉体。这种工艺制备硅酸钇纳米粉体反应周期短，重 复性好，且工艺简单，操作方便，原料易得，制备成本较低。


图1为不同水热温度所合成粉体的XRD图谱(Y(N03)3: Na2Si03: NaOH=2: 1: 4)，其中横坐标为2e角，纵坐标为衍射强度。
图2为不同退火温度时粉体的XRD图(Y(N03)3: Na2Si03: NaOH=2: 1: 4， LiF=2wt%)其中横坐标为29角，纵坐标为衍射强度。
图3不同溶液组成时粉体的XRD图(900°C， LiF=2wt%)其中横坐标 为20角，纵坐标为衍射强度。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例l:
1) 分别将分析纯的Y(N03)3 6H20、 Na2Si03 9H20和NaOH加入蒸馏水 中，并不断搅拌，配制成浓度为0. 5mol/L的透明溶液，其中Y (N03) 3:Na2Si03: NaOH的摩尔比为2: 1: 4，并不断搅拌，形成前驱物溶液，所得溶液记为
A溶液；
2) 将上述制备的A溶液倒入水热反应釜中，填充度控制在60%;然 后密封水热反应釜，将其放入MDS-6型温压双控微波水热反应仪中；将水 热温度控制在180°C，反应时间控制在10min，反应结束后自然冷却到室 温，所得溶液记为B溶液；
3) 打开水热反应釜，将B溶液通过滤纸抽滤收集，然后分别采用去 离子水和无水乙醇洗涤，于电热鼓风干燥箱中在8(TC下干燥0. 5h即得含 有硅酸钇纳米粉体的产物C。
参见图1，将所得的硅酸钇纳米粉体用日本理学D/max2000PCX-射线 衍射仪进行分析，可知采用微波水热反应可以直接从液相合成硅酸钇纳米 晶，但是所合成的硅酸钇衍射峰微弱，强度不高，说明其结晶度较差。从 图中还可以看出，采用微波水热直接合成的粉体在20=30°附近还存在非晶 峰，这说明粉体中还有大量非晶态物质。因此，后期的退火是必要的。
实施例2:
1) 分别将分析纯的Y(N03)3 6H20、 Na2Si03 9H20和NaOH加入蒸馏水 中，并不断搅拌,配制成浓度为0. 7mol/L的透明溶液，其中Y (N03) 3: Na2Si03: NaOH的摩尔比为2: 1: 4，并不断搅拌，形成前驱物溶液，所得溶液记为
A溶液；
2) 将上述制备的A溶液倒入水热反应釜中，填充度控制在60%;然
后密封水热反应釜，将其放入MDS-6型温压双控微波水热反应仪中；将水 热温度控制在180°C，反应时间控制在10min，反应结束后自然冷却到室 温，所得溶液记为B溶液；
3) 打开水热反应釜，将B溶液通过滤纸抽滤收集，然后分别采用去 离子水、无水乙醇洗涤，于电热鼓风干燥箱中在8(TC下干燥0. 5h即得含 有硅酸钇纳米粉体的产物C;
4) 在产物C中加入其质量百分比为2X的LiF，然后放入箱式电阻炉 中，控制升温速率为4。C/min自室温升温至40(TC并保温2h,随炉冷却至 室温即得硅酸钇纳米粉体。
将所得的硅酸钇纳米粉体用日本理学D/max2000PCX-射线衍射仪进行 分析，图2是不同退火温度下获得粉体的XRD图谱。从图中可以看出，经 60(TC退火处理后，粉体仍然以非晶为主，经70(TC处理2h后，粉体的主 晶相为Y2SiA含有少量Y4.67(Si04)30;当退火温度为80CTC时，^1207晶相 消失，粉体以Y2Si05和Y4.67(Si04)30为主，继续升高退火温度至900°C时， Y2SiOs衍射峰明显增强。这说明当配比一定的情况下，低温有利于合成 Y2SiA相，高温则有利于合成Y2Si05相。
实施例3:
1) 分别将分析纯的Y (N03) 3 6H20、 Na2Si03 9H20和NaOH加入蒸馏水 中，并不断搅拌，配制成浓度为0. 6mol/L的透明溶液，其中Y (N03) 3:Na2Si03: NaOH的摩尔比为2: 1: 4，并不断搅拌，形成前驱物溶液，所得溶液记为 A溶液；
2) 将上述制备的A溶液倒入水热反应釜中，填充度控制在60%;然 后密封水热反应釜，将其放入MDS-6型温压双控微波水热反应仪中；将水热温度控制在150°C，反应时间控制在10min，反应结束后自然冷却到室 温，所得溶液记为B溶液；
3) 打开水热反应釜，将B溶液通过滤纸抽滤收集，然后分别采用去 离子水和异丙醇洗涤，于电热鼓风干燥箱中在8(TC下干燥0. 5h即得含有 硅酸钇纳米粉体的产物C;
4) 在产物C中加入其质量百分比为2X的LiF，然后放入箱式电阻炉 中，控制升温速率为4tVmin自室温升温至90(TC并保温2h,随炉冷却至 室温即得硅酸钇纳米粉体。
实施例4:
1) 分别将分析纯的Y(N03)3 6H20、 Na2Si03 9H20和NaOH加入蒸馏水 中，并不断搅拌，配制成浓度为0. 8mol/L的透明溶液，其中Y (N03) 3: Na2Si03: NaOH的摩尔比为4: 3: 6,并不断搅拌，形成前驱物溶液，所得溶液记为 A溶液；
2) 将上述制备的A溶液倒入水热反应釜中，填充度控制在80%;然 后密封水热反应釜，将其放入MDS-6型温压双控微波水热反应仪中；将水 热温度控制在130°C，反应时间控制在40min，反应结束后自然冷却到室 温，所得溶液记为B溶液；
3) 打开水热反应釜，将B溶液通过滤纸抽滤收集，然后分别采用去 离子水和无水乙醇洗涤，于电热鼓风干燥箱中在IO(TC下干燥0. 8h即得含 有硅酸钇纳米粉体的产物C;
4) 在产物C中加入其质量百分比为2X的LiF，然后放入箱式电阻炉 中，控制升温速率为4。C/min自室温升温至900。C并保温2h,随炉冷却至 室温即得硅酸钇纳米粉体。
实施例5:
1) 分别将分析纯的Y (N03) 3 6H20、 Na2Si03 9H20和NaOH加入蒸馏水 中，并不断搅拌，配制成浓度为0. 5mol/L的透明溶液，其中Y (N03) 3:Na2Si03: NaOH的摩尔比为l: 1: 1，并不断搅拌，形成前驱物溶液，所得溶液记为
A溶液；
2) 将上述制备的A溶液倒入水热反应釜中，填充度控制在70%;然 后密封水热反应釜，将其放入MDS-6型温压双控微波水热反应仪中；将水 热温度控制在120°C，反应时间控制在60min，反应结束后自然冷却到室 温，所得溶液记为B溶液；
3) 打开水热反应釜，将B溶液通过滤纸抽滤收集，然后分别采用去 离子水和异丙醇洗涤，于电热鼓风干燥箱中在9(TC下干燥lh即得含有硅 酸钇纳米粉体的产物C;
4) 在产物C中加入其质量百分比为2X的LiF，然后放入箱式电阻炉 中，控制升温速率为4XVmin自室温升温至90(TC并保温2h，随炉冷却至 室温即得硅酸钇纳米粉体。
图3是实施例3、 4、 5所制备粉体的XRD图谱。从图中可以看出，当 起始溶液分别为配比1和配比3时，均可获得纯度较高的Y2Si0s和Y2Si207 两种硅酸钇晶体。图谱中Y4.67(Si04)30微弱衍射峰的存在，说明两种粉体 中均伴随少量Y4.67(Si04)30型硅酸钇晶体的生成；当起始溶液为配比2时， 除Y4.67(Si04)30型晶体的衍射峰外，还有少量Y2SiA相的衍射峰。
实施例6:
1)分别将分析纯的Y (N03) 3 6H20、 Na2Si03 9H20和NaOH加入蒸馏水 中，并不断搅拌，配制成浓度为0. 8mol/L的透明溶液,其中Y (N03) 3:Na2Si03:
NaOH的摩尔比为2: 1.5: 6，并不断搅拌，形成前驱物溶液，所得溶液记
为A溶液；
2) 将上述制备的A溶液倒入水热反应釜中，填充度控制在75%;然 后密封水热反应釜，将其放入MDS-6型温压双控微波水热反应仪中；将水 热温度控制在160°C，反应时间控制在30min，反应结束后自然冷却到室 温，所得溶液记为B溶液；
3) 打开水热反应釜，将B溶液通过滤纸抽滤收集，然后分别采用去 离子水和无水乙醇洗涤，于电热鼓风干燥箱中在12(TC下干燥0. 6h即得含 有硅酸钇纳米粉体的产物C;
4) 在产物C中加入其质量百分比为2%的LiF，然后放入箱式电阻炉 中，控制升温速率为4"C/min自室温升温至600'C并保温2h，随炉冷却至 室温即得硅酸钇纳米粉体。
权利要求
1、一种硅酸钇纳米粉体的制备方法，其特征在于1)分别将分析纯的Y(NO3)3·6H2O、Na2SiO3·9H2O和NaOH加入蒸馏水中，并不断搅拌，配制成浓度为0.5-0.8mol/L的透明溶液，其中Y(NO3)3Na2SiO3NaOH的摩尔比为21-22-6，并不断搅拌，形成前驱物溶液，所得溶液记为A溶液；2)将上述制备的A溶液倒入水热反应釜中，填充度控制在60-80％；然后密封水热反应釜，将其放入MDS-6型温压双控微波水热反应仪中；将水热温度控制在120-180℃，反应时间控制在10min-60min，反应结束后自然冷却到室温，所得溶液记为B溶液；3)打开水热反应釜，将B溶液通过滤纸抽滤收集，然后分别采用去离子水、无水乙醇或异丙醇洗涤，于电热鼓风干燥箱中在80-120℃下干燥0.5-1h即得含有硅酸钇纳米粉体的产物C。
2、 根据权利要求1所述的硅酸钇纳米粉体的制备方法，其特征在于: 所说的在产物C中加入其质量百分比为2%的LiF，然后放入箱式电阻炉 中，控制升温速率为4。C/min自室温升温至400。C-900。C并保温2h，随炉 冷却至室温即得硅酸钇纳米粉体。
全文摘要
一种硅酸钇纳米粉体的制备方法，将分析纯的Y(NO₃)₃·6H₂O、Na₂SiO₃·9H₂O和NaOH加入蒸馏水中，搅拌得A溶液；将A溶液倒入水热反应釜中，将水热温度控制在120-180℃，反应时间控制在10min-60min，反应结束后自然冷却到室温，所得溶液记为B溶液；将B溶液产物通过滤纸抽滤收集，然后洗涤干燥0.5-1h即得含有硅酸钇纳米粉体的产物C。本发明采用微波水热法，在不同的温度下能够快速地制备出晶型和尺寸可控的硅酸钇纳米粉体。这种工艺制备硅酸钇纳米粉体反应周期短，重复性好，且工艺简单，操作方便，原料易得，制备成本较低。
文档编号C01F17/00GK101391796SQ200810231999
公开日2009年3月25日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者曹丽云, 许斌生, 黄剑锋 申请人:陕西科技大学