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引自Macroporous ZrO2 ceramics prepared from colloidally stable nanoparticles building blocks and organic templates

介紹

多年來(lái),，材料研發(fā)者一直熱衷于將具有良好的燒結(jié)和機(jī)械性能的陶瓷納米粒子作為研究熱點(diǎn),。而且,，帶有有機(jī)模板的陶瓷納米顆粒具有增強(qiáng)性能的優(yōu)勢(shì),，例如，機(jī)械性能,、電性能,、熱性能、離子電導(dǎo)性能,、光學(xué)性能等,。雖然納米級(jí)陶瓷粉末提供了在低燒結(jié)溫度下生產(chǎn)致密陶瓷的可能性，但需要致密,，均勻的生坯,，因此，需要高固體含量的穩(wěn)定漿料,。膠體工藝作為一種生胚成型技術(shù),，已被*為具有改善陶瓷零件的均勻性和性能的優(yōu)點(diǎn)。然而,，納米顆粒的聚集趨勢(shì)使得制備高固相含量的漿料變得困難,。近年來(lái)，研究和開(kāi)發(fā)了一種膠體混合技術(shù),，通過(guò)在亞微米或微米顆粒上覆蓋納米顆粒來(lái)制備陶瓷納米復(fù)合材料,。

本文中，利用ZrO₂包覆聚苯乙烯球制備了納米復(fù)合材料,，利用Turbiscan多重光散射儀分析了pH值對(duì)于納米ZrO₂懸浮液穩(wěn)定性的影響,，并用SEM表征了不同PH值下的包覆效果和燒結(jié)后的陶瓷表面。

材料和方法

3mol%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯懸浮液（市售）,，平均粒徑75nm,，比表面積37.9m2/g,。

8.2wt%的聚苯乙烯微球懸浮液（市售），作為有機(jī)模板,，顆粒尺寸1μm,。

由于納米粒子高度絮凝，收到的ZrO₂懸浮液團(tuán)聚體尺寸達(dá)到了30μm,，所以使用超聲法打碎絮凝,，并用5000 rpm 的離心速度離心1s鐘,，得到0.91 vol%的ZrO₂懸浮液,。然后將5.7 ml的聚苯乙烯懸浮液滴入到8 ml納米Zro2劇烈攪拌的懸浮液中。攪拌24 h后,，用石膏模法制備坯體,，鑄型樣品在室溫下干燥48小時(shí)，然后在1000和1400℃溫度下加熱2小時(shí),，加熱速度為100℃/h,。

在制備過(guò)程中，利用Turbiscan多重光散射儀測(cè)量不同pH值下的ZrO₂懸浮穩(wěn)定性,，測(cè)量不同pH值時(shí)ZrO₂顆粒,、PS顆粒、ZrO₂包覆PS顆粒的Zeta電位,，粒度分布,，并用SEM表征不同pH的包覆效果和終燒結(jié)后的陶瓷微觀結(jié)構(gòu)。

結(jié)果和討論

1.不同pH值時(shí)ZrO₂顆粒,、PS顆粒,、ZrO₂包覆PS顆粒的Zeta電位

在異質(zhì)絮凝包覆工藝中，關(guān)鍵問(wèn)題是在pH值相同的情況下,，得到帶有相反電荷的有機(jī)模板和納米粒子,。從上圖可見(jiàn)，在酸性條件下,，納米ZrO₂顆粒具有正電荷,，而PS球具有負(fù)電荷，并且各自的zeta電位值均大于40mV,，說(shuō)明各自能形成穩(wěn)定的分散體系,。當(dāng)pH逐漸升高，ZrO₂顆粒的zeta電位明顯降低,，并在pH接近7時(shí)達(dá)到等電點(diǎn),。ZrO₂包覆的PS球的zeta電位曲線與ZrO₂顆粒的基本一致，表明PS球表面有效地覆蓋了ZrO₂粒子,。

2. 納米ZrO₂懸浮液在不同pH值下的沉降行為

Turbiscan多重光散射儀數(shù)據(jù)表明,，澄清厚度隨時(shí)間的增加而增加,，pH值為4的懸浮液使澄清厚度緩慢增加，pH值高于等電點(diǎn)時(shí),，懸浮液的澄清厚度迅速升高,。結(jié)果表明，在pH4條件下得到了較穩(wěn)定的懸浮液,。

圖2b展示了平均粒徑和平均沉降速率隨pH值的變化規(guī)律,。圖中垂直箭頭所示，當(dāng)達(dá)到懸浮液pH值達(dá)到等電點(diǎn)7時(shí),，平均粒徑和平均沉降速率均急劇增加,。pH在5以下時(shí)，懸浮液穩(wěn)定,，初始粒徑小,，沉降速率很低。但是,，由于納米ZrO₂顆粒的聚集和沉降速率的增加,，使得pH值較高的懸浮液變得不穩(wěn)定。pH5以上,，zeta電位小于40mV,，分散體系是不穩(wěn)定的。所以,，應(yīng)在酸性條件下將兩個(gè)懸浮液混合,，由于電荷相反的ZrO₂粒子與PS粒子之間存在較大的靜電引力，當(dāng)兩種懸浮液混合時(shí),，納米ZrO₂粒子會(huì)沉積在PS球表面,。如果在較高pH值混合，由于ZrO₂懸浮液穩(wěn)定性變差,，而且?guī)c(diǎn)電荷相同,，ZrO₂顆粒就不能有效的包覆在PS球的表面。

3. 粒度分布

圖3 顯示了納米ZrO₂,、PS和ZrO₂包覆PS球的累積粒徑分布,，從圖中可以看出，分布是單峰的,。納米ZrO₂粒子經(jīng)超聲處理10 min后,，并以5000 rpm離心1 s，平均粒徑為114nm,，粒徑分布很窄,。PS顆粒和ZrO₂包覆PS球的平均粒徑分別為818 nm和1386 nm。ZrO₂包覆PS球的粒徑（Fig3 c ）大于納米ZrO₂粉體在PS顆粒表面的單層覆蓋的理論粒徑,，這一結(jié)果表明,，包覆的PS球有輕微的絮凝現(xiàn)象,，這可能是由于兩個(gè)或多個(gè)帶負(fù)電荷的PS粒子在混合過(guò)程中被帶正電荷的ZrO₂粒子結(jié)合在一起的結(jié)果。

4. SEM掃描電鏡照片

圖4為PS球,、納米ZrO₂和納米ZrO₂包覆PS球的SEM顯微照片,，以及在1000和1400℃溫度下燒結(jié)的樣品表面。從pH = 4時(shí)水分散的納米ZrO₂顆粒的SEM圖像(圖4b)可以看出,，納米ZrO₂顆粒幾乎沒(méi)有團(tuán)聚或聚集,，說(shuō)明納米ZrO₂懸浮液分散性較好。納米ZrO₂包覆PS球的的SEM顯微照片球體如圖4c所示,，與未包覆的PS顆粒圖4a的光滑表面相比,，PS顆粒的表面變得粗糙，這表明納米ZrO₂顆粒對(duì)PS表面的有效覆蓋,。觀察到在PS表面均勻包覆少量粒徑均勻的納米ZrO₂顆粒,。此外,，納米ZrO₂顆粒大部分沉積在PS顆粒的表面,，而在被包覆顆粒之間的孔隙中幾乎沒(méi)有沉積。納米ZrO₂包覆的PS球之間形成了一些*,，說(shuō)明包覆的PS球絮凝性不是很好,，這與Turbiscan測(cè)量的沉降結(jié)果吻合較好。另一方面,，我們觀察到分散在pH10下的納米ZrO₂粒子沒(méi)有被涂覆在PS球的表面(圖4d),。

圖4e和圖4f為胚體在1000℃和1400℃下燒結(jié)后的結(jié)構(gòu)照片，PS聚苯乙烯球被燒光后,，在樣品中呈現(xiàn)緊密排列和均勻分布的氣孔,，這表明生胚足夠致密和均勻，也就是說(shuō)穩(wěn)定的膠體有助于顆粒表面的有效包覆,，從而達(dá)到良好的分散均勻性和表面均勻的包覆,。此結(jié)果表明，膠體混合工藝可用于制備大孔陶瓷,，并提高其強(qiáng)度,。 

結(jié)論

此實(shí)驗(yàn)證明了納米ZrO₂和PS球懸浮液的膠體穩(wěn)定性對(duì)于納米ZrO₂包覆PS表面的重要性。雖然在這項(xiàng)工作中,，只使用了納米ZrO₂粒子,，但膠體混合過(guò)程可以很容易地應(yīng)用于各種不同的陶瓷材料中。Turbiscan多重光散射儀非常適合表征高濃度陶瓷分散體系的穩(wěn)定性,，并且可以用于表征高固體含量的漿料的均勻性,。

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