材料科学与工程毕业论文

毕业设计 论文 毕业设计 论文 论文题目 论文题目 反应条件对反应条件对 sol gel 合成锆英石的影响合成锆英石的影响 英文题目 英文题目 Influence of the Reaction Condition on Preparation of ZrSiO4 by Sol gel 学学 院 院 化学生物与材料科学学院化学生物与材料科学学院 专专 业 业 材料科学与工程材料科学与工程 学学 号 号 07057125 学生姓名 学生姓名 罗秋锋罗秋锋 指导教师 指导教师 刘晓东 罗太安刘晓东 罗太安 二二 0 一一年六月一一年六月 东华理工大学毕业设计 论文 摘要 I 摘 要 高放废物的安全处置是核能开发的世界性难题 技术难度大 研究周期长 涉及地质 化学 材料等多门学科 而对于高放废物地质处置的第一道人工屏 障 高放废物固化体的稳定性对于整个处置库具有重要的影响 本论文采用溶 胶 凝胶法合成锆英石 研究了反应条件对溶胶 凝胶法合成锆英石的影响 利 用物化分析 XRD 电子探针对样品进行检测 结果表明 锆英石前躯体制备的 实验优化条件为加水量 30mL pH 为 2 3 烧结收缩率均大于 20 显气孔率均 大于 4 表观密度均小于 5 0 g cm3 产物的化学组成以 ZrO2 和 SiO2等组成 为主 凝胶后处理过程中经过氨水洗涤的样品其晶体组成主要以为锆英石 ZrSiO4 和斜锆石 ZrO2 为主 其中含有部分方石英 SiO2 而未经氨水 洗涤的样品 其晶体为单一的单斜锆石 ZrO2 关键字关键字 锆英石 溶胶 凝胶法 反应条件 东华理工大学毕业设计 论文 ABSTRACT ABSTRACT The safe disposition of high level radioactive waste is a global problem for the nuclear development since the technical is very difficult the research cycle is longer and it refers to different subjects including geology chemistry materials and others As the first artificial barrier of deep geological disposal of HLW the stability of immobilization has important influence on disposal repository This paper synthesizes zircon by Sol Gel we dicuss Sol Gel reaction conditions how to influence the preparation of precursor Testing the physical and chemical properties of Zircon samples and use XRD EPMA to analysise the different phase composition and mineral composition of several groups of zircon samples The experimental conditions for zircon precursor is amount of water 30mL pH 2 3 The phase of sample washed by ammonia is form of baddeleyite ZrO2 and zircon ZrSiO4 the other phase SiO2 Another without washing only includes baddeleyite ZrO2 The main compositions of two samples are mainly composed with ZrO2 and SiO2 and ZrO2 is the main content Key words Zircon Sol Gel Reaction condition 东华理工大学毕业设计 论文 目录 目 录 第一章 绪 论 1 1 1 锆英石的结构及性能 1 1 2 锆英石的主要应用 2 1 3 锆英石的主要合成方法 2 1 3 1 固相法 2 1 3 2 沉淀法 2 1 3 3 水热法 3 1 3 4 溶胶 凝胶法 3 1 4 溶胶 凝胶法制备陶瓷的基本原理 3 1 5 本文研究目的及内容 4 1 5 1 本文研究的目的 4 1 5 2 本文研究的内容 6 第二章 实验部分 7 2 1 仪器及试剂 7 2 2 实验过程 8 2 2 1 实验流程图 8 2 2 2 实验具体操作步骤 8 2 3 性能测试 9 2 3 1 线收缩率 9 2 3 2 体积密度和显气孔率 9 2 4 表征方法 10 第三章 结果与讨论 11 3 1 不同实验条件对成胶的影响 11 3 1 1 加水量 11 3 1 2 溶液 pH 值 11 3 2 物化性能测试结果 12 3 3 XRD 测试结果 13 3 4 电子探针分析 13 结 论 15 致 谢 16 参考文献 17 东华理工大学毕业设计 论文 绪 论 1 第一章 绪 论 1 1 锆英石的结构及性能 锆英石 亦称锆石 锆砂 是生产氧化锆 锆化学品 金属锆和从中提取锆的主 要工业矿物 其化学式为 ZrSiO4 属正方晶系 为中性耐火材料 锆英石作为精密 铸造的优良型砂已有长久的应用历史 锆英石或其下游加工产品氧化锆因其熔点高 和化学性质稳定 是高级陶瓷和耐火材料的重要材料 锆英石的理论组成为 67 2 ZrO2和 32 8 SiO2 原锆石必须经过精选才能用于铸 造生产 锆英石中 ZrO2的含量应高于 60 否则因杂质过多 使性能恶化 如国内 过去生产的一种低品位锆英石 ZrO2含量仅为 55 杂质含量高达 10 致使耐火度 不高 热分解温度下降 高温力学性能差 在铸造生产中不能应用 图1 1 锆石英晶体结构 锆英石 ZrSiO4 是岩浆岩 沉积岩和变质岩中常见的岛状硅酸盐矿物 锆英石晶 体的晶胞结构如图1所示 锆英石四方晶系 a0 0 662 nm c0 0 602 nm Z 4 锆 英石结构属于ABO4结构类型 硅酸盐和磷酸盐 在结构中 SiO4 四面体呈孤立状 彼此借助Zr4 相联结 且二者在c轴方向相间排列 Zr4 的配位数为8 呈由立方体特 殊畸变而成的 ZrO8 配位多面体 整个结构也可视为由平行于a轴的共边ZrO8三角 十二面体链和平行于c轴的SiO4四面体与ZrO8十二面体交替排列的链所组成 锆英石 晶体结构如图1 1所示 锆英石是一种重要材料 具有许多独特的性能 它具有极低的热导率 室温下为 5 1W m 1000 为 33 5W m 和极低的热膨胀系数 25 1400 为 4 1 10 6 并且其强度在 1400 的高温也不衰减 同时烧结锆英石具有比莫来石和氧化锆更好 东华理工大学毕业设计 论文 绪 论 2 的抗热震性能 另一方面锆英石具有优异的化学稳定性 高温力学性能等 在玻璃工 业 陶瓷工业 冶金工业 原子能工业 化学工业等领域得到了广泛的应用 这些 性能使得锆英石成为高温结构陶瓷的重要候选材料 1 2 1 2 锆英石的主要应用 在玻璃 陶瓷工业方面 锆英石可作为玻璃陶瓷工业中的添加剂和遮光剂 冶金 工业方面 天然锆砂粒度均匀 吸热性好 散热均匀 加热时不发生多型转化 转化 因此可做铸造工业用的型砂 锆砂磨细后涂于铸型件内部 可提高铸件 成品率 原子能工业 主要用在原子能发电站核动力舰船及潜艇等的核反应堆中 化学工业方面 锆具有优异的抗腐蚀性能 用于化工设备中 如用含锆材料制成的 阀门 排气机零件 以及在反应糟 蒸馏釜中的轧板均使用含锆材料 其他工业方 面 含锆的涂料具有绝缘性 可做绝缘玻璃涂料 也可做防焦结涂料 难熔绝缘涂 料 绝热涂料 锆英石与含铝矿物配合可制成锆 铝磨料 含锆鞣料可鞣制优质白 色皮革 用锆化合物浸渍过的织物具有防水性 耐热性及防腐性 氧化锆陶瓷纤维 可用于生产合成纸 这种纸具有抗热性能 化学惰性 绝热和隔音性能 最重要的 一个应用是锆英石可作为核废料处置矿物类比物的重要矿物 1 3 锆英石的主要合成方法 目前锆英石的制备方法主要有 固相法 沉淀法 水热法 溶胶 凝胶法 1 3 1 固相法 早期利用高温固相法制备锆英石通常是采用 ZrO2和 SiO2 石英 方石英或磷石英 为 原料直接进行 Bowen 和 Greig 发现在 1460 有 ZrSiO4成 Barlet 以及 Scott 和 Hilliard 发现在 1500 有 ZrSiO4合成 而 Geller 和 Yovat sky 认为在 1700 有 ZrSiO4合成 Curtis 和 Sowman 的结果表明 ZrSiO4是在 1315 1430 间合成 由于 受原料及制备方法的限制 他们都没有确定其合成的最高和最低温度 固相法制备锆英石工艺简单 效率高 成本低 可以批量化生产 但纯度较低 在核废物固化处理过程中应尽量采用简洁实用的固相反应工艺 以达到降低成本 保 护操作人员的安全 尽量避免或减少固化处理过程中可能带来的二次环境污染 制 约锆英石陶瓷固化体处理高放废物的问题在于制备条件 由于 SiO2 和 ZrO2 颗粒之 间形成锆英石的反应具有相当低的形成自由能 低的扩散性和需要很高的活化能 因此合成锆英石陶瓷固化体需要高温 1300 和高压 并无法获得较高的锆英石收 率 一般 PZC 时 胶粒表面带 负电荷 反之 则带正电荷 带电胶粒周围的溶剂中由等量的反电荷形成扩散层 相邻胶粒的扩散层重叠产生推斥力 此外 胶粒间相互作用还有分子间范德华引力 和由表层价电子重叠引起的短程玻恩斥力 在胶粒间距一定的情况下 任何一种减 少排斥力的措施 如减少表面电荷或增加扩散层中反离子浓度等 都会降低能垒的 高度 导致凝聚 形成凝胶 空间位阻效应 如使胶粒表面吸附短链聚合物 也可 使溶胶稳定化 这主要有两方面的原因 首先 当胶粒相互靠近时 吸附的聚合物 构象熵减少 体系自由能增加 这与胶粒间产生推斥力是等效的 其次 胶粒间聚 合物层重叠部分浓度增加 产生浓压差 使胶粒互斥 由溶胶制备凝胶的具体方法有 使水 醇等分散介质挥发或冷却溶胶 使之成 为过饱和液而形成冻胶 加入非溶剂 如在果胶水溶液中加入适量酒精后 即形 成凝胶 将适量的电解质加入胶粒亲水性较强 尤其是形状不对称 的憎液型溶胶 即可形成凝胶 例如 Fe OH 3在适量电解质作用下可形成凝胶 利用化学反应产 生不溶物 并控制反应条件可制得凝胶 溶胶 凝胶技术 5 8 可分为 胶体的溶胶 凝胶法 由金属有机物转变为有机聚合 物的凝胶法 生成有机聚合物的凝胶法 其基本原理是将聚合物溶解在无机物的前 驱体溶液中 在聚合物存在的条件下 使前驱体水解 聚合形成 SiO2网络或使聚合 物单体和无机物前驱体同步发生聚合而获得有机无机交织网络 其相微区尺寸在纳 米尺寸范围内 紧密结合或相互贯穿于小的微区尺寸 使材料具有更高的透明性 同时 通过对聚合过程的控制 材料的成分 微观相形态相互贯穿的程度等均可以 在很大范围变化 它决定了材料的性能 也可以在无机物和聚合物之间很大范围内 变化 具有可设计性 1 5 本文研究目的及内容 1 5 1 本文研究的目的 随着核能的广泛应用 特别核能的民用化 在解决当今能源危机的同时也带来诸 多问题 反应堆的乏燃料经后处理将产生含锕系元素的高水平放射性液体废物 高 放废物 对这些高放废物必须首先进行固化 才能采用合适的方法进行最终的安全 处置 目前 被广泛接受的处置技术方案是基于多重屏障体系的高放废物地质处置 即将固化后的高放废物置入500 1000m深的地质处置库中 使高放废物与生物圈安 东华理工大学毕业设计 论文 绪 论 5 全 长期的隔离 9 东华理工大学毕业设计 论文 绪 论 6 1 5 1 1 陶瓷固化基体的选择 陶瓷固化法用矿物基体作为核废液的固化材料 利用矿物学上类质同象替代 通 过一定的热处理工艺获得热力学稳定性能优异的矿物固溶体 将放射性核素包容在 固溶体的晶相结构中 从而获得安全固化处理矿物 用结构来固定高放废物中的有 关元素 只要晶体不分解 进入晶体的元素就难以脱离结构的束缚 浸出率自然就 低 表 1 1 中列出目前比较常用的高放废物陶瓷固化方法 表 1 1 高放废物陶瓷固化方法 方法工艺描述特点备注 过煅烧法 根据高放废物的组成添加 SiO2 CaO Al2O3等添加剂 高 温 1100 煅烧而成 以硅酸 盐矿物为主 废物包容量大 热 稳定性高 Cs Ru 等核素的挥发损失 性大 某些核素的 浸出率偏大 需要包覆或 固化于玻璃 固化体中 才能进行处 置 硅 酸 盐 陶 瓷 固 化 锆英石陶瓷 锆英石 ZrSiO4 是一种天然稳 定矿物 其 Zr 位可被锕系元素取 代 可用于对分离的锕系元素或 过剩武器级 Pu 的固化 热膨胀低 耐高温 抗浸出性能和抗辐 射性能均较好 但 制备工艺复杂 需 要较高的温度和压 力 10 对于武器级 Pu 的固化可 防回取 铝 酸盐 陶瓷 固化 铝酸盐陶瓷 可固化某些特殊组成 高铝含量 的废液 在还原条件下热压烧结 基体为氧化铝和尖晶石 放射性 核素呈独立性矿物 包裹于化学 性能稳定的基体相中 化学稳定性能好 废物包容量高 核 素挥发损失小 只对特殊高 放废物效果 好 独居石 独居石 REPO4 是一种天然矿 物 也是固化锕系元素和镧系元 素的基体矿相 适于高放废物中 分离的锕系元素和镧系元素的固 化 长期稳定性 热稳 定性及抗浸出稳定 性较好 磷 酸盐 陶瓷 钠锆磷酸盐 陶瓷 NZP NZP NaZr2 PO4 3 其晶体结 构的四个离子位可容纳元素周期 表中近 2 3 的元素 适用于多种 高放废物的固化 10 耐辐照性 热膨胀 小 抗浸出性能较 好 无多相异性膨 胀引起的内应力和 浸出差异 工艺稳定较 低 具有良 好的应用前 景 东华理工大学毕业设计 论文 绪 论 7 相对其他陶瓷固化体 锆英石固化体具有比其他更优越的条件 在本实验中 我们选择合成锆英石固化体 主要研究反应条件对其成胶的影响 其优越条件体现 在表1 2 表1 2 锆英石固化体的稳定性 11 13 1 化学稳定性 锆英石陶瓷固化体具有具有极好的抗热液浸出性能 120 时易浸 出元素的浸出率为7 1 10 5g m2 d 即使完全脱晶质的锆英石固化体 其浸出率 也只增大100倍 仍比硅酸盐玻璃低得多 2 机械稳定性 在高于1400 也不会变形 3 热稳定性 锆英石的热导率室温下为5 1w m 1 1 1000 时3 5w m 1 1 4 辐射稳定性 结晶锆英石的稳定性高于放射性破坏的蜕晶质化锆石 结晶锆英石 受放射性破坏后 一方面 会有裂变径迹出现 裂变径迹四周的晶格结构被破坏 产生晶格缺陷而逐渐变得蜕晶质化 另一方面 蜕晶质或部分蜕晶质锆石晶格中更 容易被 OH 等离子进入 从而导致锆石的不稳定性增强 综合以上对锆英石固化体的优点 本实验目的就是采用溶胶 凝胶法合成锆英石 对合成条件 加水量 pH值进行研究 最终得到最优的结果 为制备锆英石固化体 提供实验数据 1 5 2 本文研究的内容 本论文以放射性核素固化基体为主要研究对象 运用冷压成型技术 合成用于高 放废物固化的锆英石固化体 希望通过本项研究工作能对进一步高放废物陶瓷固化 基体选择以及特性研究提供理论依据和参考 本论文将采用室内试验与理论分析相结合的研究方法 主要工作包括 1 采用溶胶 凝胶法合成锆英石固化体 2 通过改变加水量和 pH 值来选定最好的参数 3 综合两个参数制备出来的锆英石 通过对样品的XRD测试对其物相分 析 通过电子探针对微区域的化学成分进行分析 化学稳定性机械稳定性热稳定性辐射稳定性 锆 英 石 固 化 体 R 120 7 1 10 5g m2 d 在高于1400 也不会变形 热导率 热导系数 室温下为5 1w m 1 1 1000 时3 5W m 1 1 热膨胀系数 在25 1400 间大约为4 1 10 6 K 1 UT 衰变会导 致锆石结构破坏 而使晶质锆石逐 渐向非晶锆石转 变 东华理工大学毕业设计 论文 实验部 分 8 第二章 实验部分 2 1 仪器及试剂 表 2 1 主要的实验设备和仪器 设备名称型号生产厂家 箱式电阻炉 S 2 12 10 上海实验仪器厂有限公司 陶瓷纤维马弗炉 TM 0617P 北京盈安美诚科学仪器有限公司 陶瓷纤维马弗炉 TM 3010P 北京盈安美诚科学仪器有限公司 C 型钢框架分体 式通风柜 1200mm 750mm 2350mm 湖南长海科技发展有限公司 电子分析天平 AR1140 奥豪斯国际贸易 上海 有限公 司 真空干燥箱 DZG 6050D 上海森信实验仪器有限公司 冷压制片机 FY 24 天津思创精实科技发展有限公司 表 2 2 主要实验试剂 药品名规格生产厂家 正硅酸四乙酯 C8H20O4Si 分析纯 AR 含量 28 4 以 SiO2计 国药集团化学试剂有限公司 无水乙醇 CH3CH2OH 分析纯 AR 质量分数 99 7 上海振兴化工一厂 硝酸铈 Ce NO3 3 6H2O 分析纯 AR 含量 99 0 国药集团化学试剂有限公司 硝酸氧锆 ZrO NO3 2 2H2O 分析纯 AR 含量 45 0 以 ZrO2计 天津市津科精细化工研究所 去离子水二次蒸馏东华理工大学分析测试中心 东华理工大学毕业设计 论文 实验部 分 9 2 2 实验过程 2 2 1 实验流程图 图 2 1 sol gel 法制备锆英石流程图 2 2 2 实验具体操作步骤 1 计算所需原料质量 分别将 ZrO NO3 2 2H2O Ce NO3 3 6H2O 溶解 混合 TEOS 溶解于无水乙醇中 用稀释后的硝酸 1 100 稀释 调节 pH 值 将两种硝酸盐混合 液加入溶液中 陈化一天 在 50 下加热一定时间 放置至其完全凝胶化 得到所 需凝胶 2 将所得到的凝胶在通风橱内用氨水洗涤一次 将凝胶清洗过滤后 用去离子水反复 洗涤几次 3 所得凝胶在 90 温度下烘干 4 将烘干后的凝胶在研钵中充分研磨 5 烘干后的粉末在 700 下煅烧 calcination 约 1 小时 待马弗炉炉内温度降 至室温取出粉末 6 冷却后的粉末再次置于玛瑙研钵中研磨 称量研磨后的样品重量 并加样品重量 10 的 PVA 粘结剂 质量百分比 10 进行充分研磨 适当情况下 不太潮不太干 进行冷压制片 7 将所得薄片置于马弗炉中进行烧结 sintering 程序升温如下 室温 360 升温 时间 2 小时 360 1500 升温时间 4 小时 1500 下保温 3 小时 烧结完毕后让其 自然冷却 陶瓷烧结的热工示意图如图 2 2 所示 通过实验对溶胶 凝胶反应的探索以及实验结果的分析 我们认为最佳条件为加水 量 30mL 反应 pH 在 2 3 接下来我们制备加水量为 30mL 反应 pH 在 2 3 条件下 的锆英石 两个样品制备完后对其烧结情况如表 2 3 所示 ZrO NO3 2 2H2O Ce NO3 3 6H2O 分别用去离子水溶解 TEOS 溶解于 无水乙醇 凝胶化 研磨煅烧 研磨 冷压制片烧结 加入适量 PVA 滴入硝酸 混合搅拌 烘干 烘干 东华理工大学毕业设计 论文 实验部 分 10 图 2 2 锆英石制备工艺曲线图 表 2 3 锆英石陶瓷试样 样 号 压片压力 MPa 凝胶 有无处 理 烧结 前 颜色 烧结前尺寸 mm 烧结 后颜色 烧结后尺寸 mm 烧结后密 度 g cm3 13 75 无 淡黄 色 1 15 03 h1 11 92 白色 1 11 3 0 h1 5 20 4 00 25 00 氨水 洗涤 淡黄 色 2 15 08 H2 3 70 白色 2 11 6 5 H2 2 98 3 88 2 3 性能测试 2 3 1 线收缩率 线收缩率是指经热定型处理后长度的缩小值对其原长度的百分率 参考 QB T 1548 1992 陶瓷坯泥料线收缩率测定方法 知以下计算式 线收缩率计算式 100 1 21 S 式中 S 线收缩率 1 烧结前陶瓷块直径 mm 2 烧结后陶瓷块直径 mm 2 3 2 体积密度和显气孔率 固化体的体积密度是指固化体质量与总体积 包括孔隙 的比值 显气孔率指固 化体开口孔隙 与大气相通 的体积与固化体的体积的百分比值 东华理工大学毕业设计 论文 实验部 分 11 基于阿基米德原理 参照 QB T陶瓷胚体显气孔率和体积密度测试方法 采用排 水法测量固化体样品的体积密度 煮水法测量固化体样品的显气孔率 体积密度的计算公式 水 21 mm mo 式中 试样的体积密度 g cm3 m0 试样的干燥质量 g m1 试样在空气中的质量 g m2 试样在水中的质量 g 水 测试温度下水的密度 g cm3 显气孔率的计算公式 100 21 01 mm mm q 式中 m0 试样的干燥质量 g m1 试样在空气中的质量 g m2 试样在水中的质量 g 2 4 表征方法 采用德国bruker公司的D8 Advance粉晶X射线衍射仪定性分析经煅烧后锆英石的 物相 采用日本电子公司的JSM 6700F电子探针分析微区域的化学成分 东华理工大学毕业设计 论文 结果与讨 论 12 第三章 结果与讨论 3 1 不同实验条件对成胶的影响 通过加水量 pH 因素的改变来确定课题的实验条件 得到加水量和 pH 值的最佳 值 3 1 1 加水量 在溶胶 凝胶反应过程中 水被用来溶解 ZrO NO3 2 2H2O Ce NO3 3 6H2O 称取 ZrO NO3 2 2H2O 6 9272g Ce NO3 3 6H2O 0 4673g 加热温度均为 50 调节反 应液的 pH 为 2 3 通过改变水的加入量来研究其对成胶效果和时间的影响 结果 见表 3 1 表 3 1 水加入量与成胶时间的关系 加水量 mL 成胶时间 h凝胶情况 2080 4 有少许沉积物在凝胶底部 3025 透明的胶体 40108 透明胶体 60109 7 透明的胶体 70116 透明的胶体含有少量白色沉淀 由表 3 1 可知 在高浓度溶液情况下 由于含量高 吸收水分太快 水解也快 来不及形成凝胶就产生了沉淀 故浓度愈高 水解愈快 对形成凝胶是不利的 低 浓度溶液由于醇盐含量低 由溶剂乙醇吸收的水分导致醇盐很快水解 浓度愈低 水解愈快导致直接沉淀 在加水量为 20 70 mL 区域变化时 随着水的加入量增加 溶胶的凝胶时间先变 小后又逐渐变大 随着水量的增加 溶胶的时间会逐渐缩短 但随着水的加入量的 继续增加 溶胶时间又会逐渐增长 且凝胶的质量也在下降 由透明的凝胶到出现 一些白色的悬浊物掺杂于凝胶中 综合成胶时间和成胶效果 我们将加水量定为 30mL 3 1 2 溶液 pH 值 硝酸作为催化剂 加入到溶液中调节pH值 在以下实验条件下 加热温度均为 50 加水量为30 ml 探索溶液的PH值对成胶的时间 效果的影响 结果如表3 2 表 3 2 溶液 pH 值与成胶效果的关系 pH值成胶时间 h溶胶 凝胶情况 0 5 沉淀 无凝胶 东华理工大学毕业设计 论文 结果与讨 论 13 1 536 溶胶不稳定 凝胶有少许杂质 2 527 透明的胶体 3 524 透明的胶体 由表 3 2 可知 溶液酸性较大时 由于 H 浓度过大抑制其聚合反应 使得其凝胶 效果较差 随着浓度的降低 凝胶化时间逐渐降低 凝胶效果更好 水解速度会随 着溶液酸碱度增加而加快 缩聚速度则在中性 碱性和强酸性溶液中较快 只在 pH 值约为 2 处有一个极小值 在酸性条件下 硅酸单体的慢缩聚反应将形成聚合物状 的硅氧键 最终得到弱交联 低密度网络的凝胶 凝胶老化时易在相邻分支之间产 生新的硅氧键 从而导致网络收缩 在碱性条件下 硅酸单体水解后迅速缩聚 生 成相邻致密的凝胶颗粒 胶体颗粒的尺寸取决于溶液的温度和 pH 这些胶体颗粒相 互连接 形成网络状的凝胶 孔洞率较大 网络相对较稀 结合成胶时间和成胶效 果 我们将将 pH 值定为 2 3 3 2 物化性能测试结果 表 3 3 锆英石的物化性能 m0 g m1 g m2 g 水 g cm3 g cm3 Q 1 c m 2 c m S 10 88461 17921 16591 03 95844 4715 0711 3824 35 21 21991 23320 91891 03 88244 2115 0811 6522 75 对两组样品物化性能检测结果如表3 3所示 三组样品的收缩率分别为 24 81 22 75 烧结收缩率均大于 20 说明锆英石在合成烧结过程中伴随有较 大的体积收缩 显气孔率分别为 5 33 4 21 显气孔率均大于 4 都存在明显和 较多的气孔 表观密度分别为 4 0001 g cm3 3 8824g cm3 与天然锆英石的表观密 度 5 27g cm3 与表观显气孔率 0 51 对比可知 人工合成的锆英石较天然合 成的锆英石在物理性能上来说有一定程度的降低 这与人工合成的实验条件及反应 的环境有很大的关系 但制得的固化体样品相对来说较为致密 气孔率在允许的范 围内 东华理工大学毕业设计 论文 结果与讨 论 14 10203040506070 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2 0 1 1 1 1 1 1 I cps 1 1 0 图 3 1 样品 1 的 XRD 谱图 3 33 3 XRDXRD 测试结果测试结果 表 3 3 中样品 1 的 XRD 谱图如图 3 1 所示 由样品的 XRD 图谱可以看到 样品 1 三条主要的特征衍射峰在 2 为 28 356 31 630 和 34 263 利用 Jade 分析软件对此衍射图谱进行分析 其对应的物相 为单斜锆石 主要的物相为 ZrO 衍射峰尖锐且峰宽较窄 说明晶体的结晶程度较 好 晶体生长较完全 合成的锆石主要沿 1 1 1 和 1 1 1 晶面进行生长 表 3 3 中样品 2 的 XRD 谱图如图 3 2 所示 10203040506070 0 100 200 300 400 500 600 700 800 I cps B B B B B B B A A A AA A A A C A ZrSiO4 B ZrO2 C SiO2 C 图 3 2 样品 2 的 XRD 谱图 分析结果显示其中主要含有三种物相 与标准 PDF 卡片号 37 1484 标准 PDF 卡片号 39 1425 和标准 PDF 卡片号 06 0266 对比 分别为斜锆石 ZrO2 方石 英 SiO2 和锆英石 ZrSiO4 斜锆石 ZrO2 特征衍射峰对应的 2 为 32 219 和 39 766 方石英 SiO2 特征衍射峰对应的 2 为 22 871 和 29 171 锆英 石 ZrSiO4 特征衍射峰对应的 2 为 20 091 和 27 686 固化体以结晶锆英石 东华理工大学毕业设计 论文 结果与讨 论 15 和单斜锆石为主 衍射峰尖锐且峰宽较窄 晶体的转化程度较好 样品 1 主要晶体组成与样品 2 有较大的差别 分析对比其制备和烧结条件 推测 造成差别的原因可能是凝胶的后处理工序和压片成型的压力有关 3 4 电子探针分析 表 2 3 中样品 1 的电子探针照片结果如图 3 3 和表 3 4 所示 样品 2 的电子探针 照片结果如图 3 4 和表 3 5 所示 图 3 3 样品 1 电子探针照片图 图 3 4 样品 2 电子探针照片 表 3 4 样品 1 化学成分定量分析表 wt 成分 位置 Al2O3SiO2Ce2O3ZrO2TiO2P2O5La2O3Total 备注 10 3092 850 313 080 040 000 0497 01 暗区 20 2888 991 093 220 010 000 0093 61 暗区 30 1446 952 6745 820 000 090 0096 14 亮区 40 1342 044 9645 300 000 060 0492 65 亮区 对样品 1 物质组成进行电子探针分析 如图3 3所示 在样品上随机取 1 2 3 4 四个点位 测定四点的化学组成 其定量分析结果如表 3 4 所示 暗点 1 2 主要的矿物组成为 SiO2 重量百分比为 92 85 和 88 99 还有部分 ZrO2和很 少量的 Ce2O3 亮点 3 4 样品主要的矿物组成为 SiO2 ZrO2 重量百分比为 46 95 45 82 和 42 04 45 30 相对于暗区物质的含量 亮区中的 Ce2O3有明 显的提高 亮区的主要矿物的组成为 SiO2 ZrO2 且含量接近 1 1 结合 XRD 的分 析样品 1 中只有单一的晶体 ZrO2可知 亮区显示的为结晶的 ZrO2 表 3 5 样品 2 电子探针化学成分定量分析表 wt 成分 位置 Al2O3SiO2Ce2O3ZrO2TiO2BaOLa2O3Nd2O3Total 备注 10 2090 591 967 450 010 080 010 03100 56 暗区 20 1489 502 106 210 010 000 000 1198 26 暗区 30 1950 082 6447 670 040 080 000 06101 16 亮区 40 0935 812 9752 410 050 040 010 0091 62 亮区 东华理工大学毕业设计 论文 结果与讨 论 16 对样品 2 物质组成进行电子探针分析 如图 3 4 所示 其定量分析结果如表 3 5 所示 暗点 1 2 主要的矿物组成为 SiO2 重量百分比为 90 59 和 89 50 还有部 分 ZrO2和很少量的 Ce2O3 亮点 3 4 样品主要的矿物组成为 SiO2 ZrO2 与样品 1 相似 亮区中的 Ce2O3相对于暗区有明显的提高 点 3 亮区的主要矿物的组成为 SiO2 ZrO2 且含量接近 1 1 点 4 亮区的主要矿物的组成为 SiO2 ZrO2 且含量比 小于 1 结合 XRD 的分析样品 2 中一些亮区物相为 ZrSiO4晶体 一些亮区为 ZrSiO4 和 ZrO2晶体 掺杂元素 Ce 会以 Zr Ce SiO4或 Zr Ce O2两种形式存在 东华理工大学毕业设计 论文 结论 17 结 论 本论文采用了溶胶 凝胶法合成锆英石 通过物化性能 XRD 以及电子探针对两 组样品的物化性能 物相 矿物组成进行表征 得出以下结论 1 合成锆英石的最佳条件为 加水量 30mL pH 值 2 3 2 合成产物烧结收缩率均大于 20 显气孔率均大于 4 表观密度均小于 5 0 g cm3 3 结合 XRD 和电子探针分析 凝胶后处理过程中未经氨水洗涤的样品 其 晶体为单一的单斜锆石 ZrO2 经过洗涤的其晶体组成主要以锆英石 ZrSiO4 和 斜锆石 ZrO2 为主 其中含有部分方石英 SiO2 几组样品的矿物组成均以 ZrO2 和 SiO2等组成为主 且 ZrO2的含量比重较大 东华理工大学毕业设计 论文 致谢 18 致 谢 作者首先要衷心的感谢罗太安老师 指导学长郁兴国 马辉 本论文从选题 资料收集 实 验方案的设计 实验工作的进行 论文的编写都得到了罗老师的悉心指导和帮助 一年来 在 罗老师和郁兴国学长的严格要求下 作者不仅丰富了专业知识和提高了科学研究的水平 而且 学到了严谨求实 不断进取 实事求是的工作态度 无论是在学习还是以后工作都有很大的帮 助 在整个论文的实验阶段中 作者得到了其他老师和学长以及同学的很大帮助 在此一并表示 由衷的感谢 感谢大学四年来陪伴我的老师和同学们 在四年的大学生活中 感谢在学习和生活当中给予 我无限支持的寝室成员 特