氧化锌铝包覆硼酸钐粉体的制备及性能表征＊

李永梅,沈晓冬,崔 升,伊希斌

(南京工业大学材料科学与工程学院材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 210009)

氧化锌铝包覆硼酸钐粉体的制备及性能表征＊

李永梅,沈晓冬,崔 升,伊希斌

(南京工业大学材料科学与工程学院材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 210009)

为了获得具有较低红外发射率和激光反射率的复合材料,通过将氧化锌铝复合于硼酸钐表面的方法,获得了复合效果较好、红外发射率和激光反射率都相对较低的氧化锌铝/硼酸钐纳米复合粒子。用共沉淀法制备了氧化锌铝包覆硼酸钐纳米复合粉体,从包覆前后的电镜照片可以看到包覆层的厚度约为 250 nm。并且研究了包覆过程中m(硼酸钐)∶m(氧化锌)、处理硼酸钐所用盐酸的浓度和包覆前驱体的煅烧温度等因素对红外发射率和激光反射率的影响。结果表明,m(硼酸钐)∶m(氧化锌)为1.5∶1、盐酸浓度为 0.4 mol/L、煅烧温度为 650℃时红外发射率和激光反射率最低,最低的红外发射率为 0.70、最低的激光反射率为 0.73%。

氧化锌铝;SmBO3;红外发射率;激光反射率

红外隐身与激光隐身兼容是军事目标隐身领域的战略、战术与战斗的需要,亦是隐身研究在深度与广度上的深入与拓展。目前激光隐身主要是指波长为 0.93,1.06,1.54,10.6μm等激光的隐身,即在近红外到中红外区,其中 1.06μm是激光器主要工作波长,也是激光隐身的重点。红外隐身指的是热红外隐身 (3～5μm和 8～14μm)[1]。根据平衡态辐射原理,激光隐身材料所要求的低反射率,要导致高的红外发射率,不利于红外隐身,由于红外探测和激光测距等对军用武器目标物的威胁很大,故两者协调很重要。近年来有很多关于包覆粉体的研究[2-3],当包覆物溶胶带有与被包覆固体表面相反的电荷时,库仑引力可使包覆物颗粒吸附到被包覆固体表面[4]。已经有很多关于氧化锌铝 (ZAO)红外隐身性能的研究[5-6]。由于 ZAO粉体对激光具有透明性,不会影响到 SmBO3的激光隐身性能[7-8],笔者把具有红外隐身性能的 ZAO包覆于有激光隐身性能的 SmBO3外面,以达到红外和激光兼容的隐身效果。

1 实验部分

1.1 实验原料与仪器

氧化钐 (Sm2O3,纯度 99.99%);硼酸、柠檬酸、硝酸、硝酸锌、硝酸铝、尿素、盐酸,均为分析纯。

恒温水浴锅 (HH-1),悬臂式搅拌机 (RW20.n),电热鼓风干燥箱 (GZX-9140MBE),快速升温箱式电阻炉 (KSX3-10),离心机 (TGL-20B),德国耐驰公司的热重差热分析仪(NETZSCH STA449C),美国热电公司的 X射线衍射仪 (ModelX′TRAX),日本岛津公司的紫外分光光度计 (UV-3101PC),上海福源光电技术有限公司的材料发射率测量仪(HFY-10),日本电子公司的扫描电镜 (JS M-5900)。

1.2 实验过程

将 0.05 mol的 Zn(NO3)2·6H2O、0.002 5 mol的 Al(NO3)3·9H2O和 0.2 mol的 CO(NH2)2溶于600 mL蒸馏水中,然后加入 HCl处理过的 SmBO3,在 100℃水浴中恒温 4 h,待冷却到室温后离心洗涤,然后在 80℃干燥,一定温度下煅烧后得到 ZAO包覆 SmBO3粉体。

2 实验结果及讨论

2.1 ZAO/SmBO3的 X射线衍射分析

ZAO/SmBO3和 ZAO在 650℃煅烧后粉末的相组成分析采用 X射线衍射仪,在 2θ=5～75°范围内以 6(°)/min的速度连续扫描。样品的衍射谱图如图 1所示。由图 1可知,ZAO衍射谱图和纯 ZnO基本一致,只是其峰位向高角度偏移。这表明在制备ZAO粉体过程中掺杂的铝元素进入到了 ZnO晶格的内部,取代 Zn2+的位置形成了氧空位和间隙原子,形成了 Al/ZnO固溶体,即所得到的为 ZAO粉体。由图 1还可看出,ZAO/SmBO3的 XRD谱图中既有 ZAO的衍射峰也有 SmBO3的衍射峰,复合粉体衍射谱图中 SmBO3的衍射峰与纯的 SmBO3衍射峰相比,衍射峰的位置向高角度发生偏移。包覆粉体中 ZAO衍射峰位置和纯 ZAO衍射峰位置相同,但峰高变小,半高宽增加,表现出明显的纳米材料的特征。这可以从两个方面进行分析:一方面异相成核过程使 ZAO在 SmBO3粉体表面成核,不利于晶体的生长,从而导致 ZAO的结晶度变差,晶粒度减小,衍射峰宽化。另一方面,ZAO和 SmBO3的衍射峰有所重叠,在重叠部分衍射峰相互叠加,致使衍射峰变宽。

图1 SmBO3,ZAO,ZnO和 ZAO/SmBO3的 XRD谱图

2.2 ZAO/SmBO3的扫描电镜分析

图2为 ZAO/SmBO3和 SmBO3粉体的 SEM图。从图 2可看出,SmBO3粉体的粒径为 100 nm左右,包覆后 ZAO/SmBO3复合粉体的粒径约为 600 nm,包覆层厚度约为 250 nm。对包覆后的小球中心一点打能谱,谱图结果显示 Sm,Zn,Al的质量分数依次为 12.5%,41.96%,2.06%,进一步证实了 ZAO粉体包覆到了 SmBO3粉体的外表面。

图2 样品的 SEM照片

2.3 红外发射率和激光反射率分析

2.3.1 SmBO3加入量不同对红外发射率和激光反射率的影响

图3为在 Zn(NO3)2·6H2O,Al(NO3)3·9H2O和尿素的加入量不变的条件下,改变 SmBO3的加入量,对红外发射率和激光反射率的影响。由图 3可看出,SmBO3的加入量从 0.005 mol到 0.02 mol时随 SmBO3加入量的增大,红外发射率有微弱的增大趋势,激光反射率很大而且有降低的趋势,但都和ZAO本身的发射率和反射率相近,这主要是由于SmBO3的加入量太少,这时候主要生成的是 ZAO粉体,ZAO粉体也没有很好地包覆到 SmBO3的表面,由于 SmBO3的加入,所以红外发射率开始变大。但是当 SmBO3的加入量到 0.025 mol时发射率突然变小,激光反射率也在 SmBO3加入量为 0.03 mol时达到较低值,这是由于 ZAO和 SmBO3达到了包覆的效果。随着 SmBO3的加入量继续增大时发射率继续增大,激光反射率在 SmBO3自身激光反射率上下波动。这主要是由于 SmBO3的过量,显现出来 SmBO3的性能。从激光和红外兼容的角度来考虑,SmBO3的最佳加入量为 0.025 mol,即m(SmBO3)∶m(ZnO)为 1.5∶1时红外发射率和激光反射率最低。

图3 不同 SmBO3加入量下 ZAO/SmBO3的红外发射率和激光反射率

2.3.2 酸的浓度和煅烧温度对红外发射率和激光反射率的影响

图4为处理 SmBO3所用盐酸的浓度对包覆粉体红外发射率和激光反射率的影响。由图 4可知,当HCl浓度过小时红外发射率和激光反射率都比较高,这可能是由于 SmBO3表面没有得到很好的处理,ZAO粉体没有包裹到 SmBO3的表面,ZAO和SmBO3物理混合导致发射率和反射率都比较高。当HCl浓度为 0.4 mol/L时红外发射率和激光反射率都突然变小,HCl浓度大于 0.4 mol/L时激光反射率不断地增大,而红外发射率保持一个平稳的波动,这主要是由于处理 SmBO3所用酸的浓度过高的时候,ZAO包覆在 SmBO3表面的厚度比较大,这时候SmBO3的激光隐身性能就表现不出来了,主要是ZAO的红外隐身性能,因此导致了激光反射率不断地升高,而红外发射率没有明显变化。所以处理SmBO3时所用 HCl的浓度为 0.4 mol/L。

图4 HCl浓度不同时ZAO/SmBO3的红外发射率和激光反射率

图5 温度不同时ZAO/SmBO3的红外发射率和激光反射率

图5为包覆粉体的煅烧温度对红外发射率和激光反射率的影响。由图 5可知,在 600℃时 ZAO还没有和 SmBO3粉体结合在一起,表现出来的性能为ZAO的性能,红外发射率比较低而激光反射率比较高;到 650℃时红外发射率和激光反射率都比较低;当煅烧温度高于 650℃时包覆粉体的红外发射率和激光反射率都同时增大,这种趋势在850℃时表现的尤其明显,这主要是由于煅烧温度过高,会导致粉体被烧融,粉体表面形貌发生变化,红外发射率和激光反射率增大,因此包覆粉体的最佳煅烧温度为650℃。

3 结论

1)共沉淀法制备 ZAO包覆 SmBO3粉体,包覆后的粉体 XRD谱图 ZAO和 SmBO3的特征峰同时出现。2)SEM分析结果表明,所制备的包覆粉体直径大约为 600 nm,包覆层厚度约为 250 nm。3)当工艺参数设置为m(SmBO3) ∶m(ZnO)为 1.5∶1、HCl浓度为 0.4 mol/L、煅烧温度为 650℃时可获得性能优良的包覆粉体,粉体的红外发射率和激光反射率分别为 0.70和 0.73%。

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Preparation and characterization of alum inum z inc oxide coated samarium borate nano-composite powder

Li Yongmei,Shen Xiaodong,Cui Sheng,Yi Xibin
(State Key Laboratory forM aterials Chem istry and Engineering,School of M aterials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing210009,China)

To obtain composite materialwith low infrared emissivity and laser reflectivity,nano-composite ZAO/SmBO3particleswith good composite effect and with relatively low infrared emissivity and laser reflectivity were prepared by compounding aluminum zinc oxide(ZAO)onto the surface of samarium borate(SmBO3).ZAO-coated SmBO3nano-composite powderwas prepared by coprecipitation method.From the picture of SEM,itwas found that the thickness of coating is about 250 nm.Influences of the factors,such asm(SmBO3)∶m(ZnO),concentration of HCl,and calcination temperature,on infrared emissivity and laser reflectivity during the coating processwere investigated.Results showed thatwhenm(SmBO3)∶m(ZnO)was 1.5∶1,concentration of HClwas 0.4 mol/L,and calcination temperature was 650 ℃,the infrared emissivity and laser reflectivity were the lowest.The lowest infrared emissivity and laser reflectivity were 0.70 and 0.73%,respectively.

aluminum zinc oxide;samarium borate;infrared emissivity;laser reflectivity

TQ132.41

A

1006-4990(2010)04-0014-03

江苏省自然科学基金项目(BK2007586);江苏省博士后科研资助计划项目(0701012B)。

2009-12-23

李永梅 (1983— ),女,硕士研究生,研究方向为无机 /有机纳米复合材料、复合隐身材料。

联 系 人:沈晓冬

联系方式:songzhu521@163.com