水热法合成超细氧化钇粉体的工艺调控及性能研究

刘悦，骆辉辉，刘荣进，何春燕，王秀琴，官志强，江和平

水热法合成超细氧化钇粉体的工艺调控及性能研究

刘悦1，骆辉辉1，刘荣进2，何春燕1，王秀琴3，官志强1，江和平4

（1. 萍乡学院 江西省工业陶瓷重点实验室，江西 萍乡 337000； 2. 桂林理工大学 材料科学与工程学院，广西 桂林 541004；3. 萍乡学院 图书馆，江西 萍乡 337000；4. 江西和鑫高科产业有限公司，江西 萍乡 337022）

氧化钇作为稀土氧化物中重要的应用材料之一，固具有优良的耐高温性能和抗腐蚀性，被广泛应用于各种制造行业以及军工行业。文章研究了水热法合成超细氧化钇粉体的工艺调控及性能，通过结果分析可得结论如下：随着溶液浓度增大，氧化钇粉体颗粒粒径逐渐增大，比表面积随之逐渐减小，颗粒形貌呈棒状，当溶液浓度为0.1 mol/L时，能得到形貌可控且粒度较小的粉体颗粒。随着pH值增大，氧化钇粉体颗粒粒径逐渐减小，比表面积则逐渐增大，当pH值等于11时，可得形貌较好且粒度较小的超细氧化钇粉体。随着反应时间延长，粉体颗粒的粒径会逐渐增大，比表面积会先增大后减小，当反应时间为1天时，得到的氧化钇粉体形貌可控且粒度较小。

氧化钇粉体；工艺调控；水热法；稀土氧化物；粒径

引言

稀土元素有着“工业维生素”的美称，它们都有无可替代的优异的磁学、光学和电学特性，在材料中加入少量的稀土元素就能改善产品的性能，提高产品的结构和质量，并且增加产品的品种，这些方面的改变对促进此行业的科技进步有着重要的意义[1~2]。因此，发展纳米稀土材料是稀土工业发展史上必不可少的一步，通过将稀土元素与纳米技术相结合，再将纳米稀土材料掺入各种材料中，能在最大程度上提高材料的各种性能[3~5]。

氧化钇作为稀土氧化物中重要的应用材料之一，具有的优良的耐高温性能和抗腐蚀性，被广泛应用于各种制造行业以及军工行业。如：作微波磁性材料、光学玻璃、陶瓷材料的添加剂；用于高清电视的高亮度荧光粉、某些显像管的表面涂层、薄膜电容器和特种耐火设备的掺杂材6~8]等。产品的升级和进步，对纳米氧化钇的粒径和比表面性能要求也越来越高，本文主要研究以硝酸钇为原料，采用氨水作为沉淀剂，在高温高压条件下制备粒度均匀，分散性好的氧化钇粉体，并对氧化钇粉体进行表征，研究粉体的物理性能。致力于制备粒径形貌可控的超细氧化钇粉体。采用不同的微波水热工艺小、在反应釜中进行调控微区化学反应环境，以获得具有性能较优的超细粉末，为后期制备高性能的陶瓷材料提供原料。

1 实验

将硝酸钇晶体溶解配置成浓度分别为0.1 mol/L、0.5 mol/L和1 mol/L的溶液，启动搅拌机，将氨水缓慢滴到配置好的硝酸钇溶液中，并在搅拌过程中不断检测溶液的pH值，直至达到所需要配置的pH值后立刻停止滴定氨水，再让滴定好pH值的溶液在搅拌机上继续搅拌5 min，使溶液成分变均匀。溶液pH值分别为7、9和11。将根据实验需要配置好的溶液倒入反应釜中，将反应釜拧紧放入DHG-9053B型电热鼓风干燥箱中，调好程序，设定反应温度为200℃，设定反应时间分别为1天、3天和5天。完成反应时间后将反应釜取出让其自然冷却，然后将反应釜中的白色溶液倒入烧杯中，先用去离子水洗涤，过滤3次，再用无水乙醇洗涤、过滤1次。将已经洗涤、过滤好的粉体放入电热烘箱中烘干。收集白色粉末，然后将粉体倒入玛瑙研钵中研磨。将研磨好的粉体装入坩埚中放进箱式炉，在850℃下煅烧。采用捷克TESCAN VEGAⅡ型SEM来观察粉体颗粒的微观形貌，采用德国布鲁克Advanced 8型XRD来分析粉体的物相，采用美国康塔Autosorb-iQ型比表面分析仪测试复合粉体的比表面积，采用英国马尔文Zetasizer Nano ZSP型激光粒度分析仪测试筛后粉体的粒径。

2 结果与讨论

2.1 溶液浓度对氧化钇颗粒性能的影响

图1是在pH值为11，反应时间1天的条件下，所做的浓度对粉体粒径及比表面积的关系图。从图中可以看出：随着溶液的浓度增大，粉体的粒径呈现增长的趋势，粉体的比表面积减小。粉体的粒径随着浓度的增大而增大的原因是：反应过程中同时存在着晶粒形核和晶核长大两个过程[9~10]，并且溶液的浓度对晶粒形核和晶核长大的速率均有影响，当溶液浓度较低时，溶液的浓度变化对形核的速率影响更大，形核占主要因素，又因为溶液中没有足够的离子提供晶粒后续的生长，所以粉体的粒径比较小，当溶液的浓度达到一定程度，后期晶粒的生长起到主导作用，颗粒发生长大，粉体粒径就变大了。根据前面分析可知溶液浓度对粉体的粒径和比表面积均有影响，本次研究中当浓度为0.1 mol/L时粉体的粒径最小，比表面积最大，是本次实验中制备氧化钇最适宜的浓度。

图1 浓度与粉体粒径Dx(50)及比表面积关系图

图2是在pH值为11、反应时间1天的条件下，得到的不同溶液浓度制备的纳米氧化钇颗粒形貌。从图2（a）中可以看出当溶液浓度为0.1 mol/L时，制备出的纳米氧化钇完全结晶，颗粒为细棒状，宽度约为800～2000 nm；从（b）中可以看出当溶液浓度为0.5 mol/L时，制备出的纳米氧化钇粉体呈棒状，宽度约为1000～3000 nm，相较于（a）中的氧化钇颗粒，（b）中的氧化钇颗粒大部分变粗；在（c）中氧化钇颗粒仍为棒状，宽度约为400～4000 nm，颗粒粗细不均匀。根据分析可知，溶液浓度对粉体颗粒形貌有影响，并且可以得出本次实验中，当溶液浓为0.1 mol/L，制备出的纳米氧化钇颗粒形貌较优。

图2 不同浓度下氧化钇的SEM图

2.2 溶液pH值对材料性能的影响

图3是在溶液浓度为0.1 mol/L，反应时间1天的条件下所做的pH值与粉体粒径及比表面积之间的关系图，从图中可以看出：随着溶液pH值的增大，粉体的粒径逐渐减小，粉体的比表面积却越来越大。粉体的粒径随着pH值的增大而减小的原因是：pH值增大，氨水与硝酸钇的反应越充分，溶液中生成的OH-浓度增加，使反应体系中的过饱和度增大[11~12]，容易生成粒径较小的沉淀。由前面的分析可知溶液的pH值对粉体的粒径和比表面积均有影响，并且当pH值为11时粉体的粒径最小，比表面积最大，所以本次实验中pH为11时制得的纳米氧化钇粉体性能较好。

图3 pH值与粉体粒径Dx(50)及比表面积关系图

图4是在溶液浓度为0.1 mol/L，反应时间为1天的条件下，不同pH值对应的氧化钇形貌，从图4（a）中可以看出当pH值为7时氧化钇颗粒的形貌不均匀，结晶度不好并且颗粒团聚现象严重，颗粒大约有5000 nm；从（b）图中可以看出氧化钇颗粒呈棒状，宽度在400～2400 nm，结晶不完全；在（c）中纳米氧化钇完全结晶，颗粒为细棒状，宽度约为400～1600 nm。由上述分析可知溶液的pH值对氧化钇颗粒形貌的影响很大，并且可以得出制备氧化钇粉体最适宜的pH值为11。

2.3 反应时间对氧化钇颗粒性能的影响

图5是在溶液浓度为0.1 mol/L，pH值为11的条件下pH值对粉体粒径及比表面积的影响图，从图中可以看出：随着反应时间的增加，粉体的粒径逐渐增大，粉体的比表面积会先增大后减小。粉体的粒径随着反应时间的延长而增大的原因是：实验过程中反应时间越长，晶粒会继续长大，并且粉体颗粒之间发生碰撞的几率越高，团聚的现象越明显，粒径会变大[13~14]。综合上述的分析可知，虽然反应时间为1天时粉体粒径最小，反应3天时粉体的比表面积最大，但根据数据的发展趋势，反应时间为1天是最适宜条件，此时能获得本次实验中综合性能良好的纳米氧化钇。

图5 pH值与粉体粒径D(50)及比表面积关系图

图6是在溶液浓度为0.1 mol/L，pH值为11的条件下，不同反应时间对应的氧化钇形貌，从图6（a）中可以看出当反应1天时，制备出的纳米氧化钇已经完全结晶，颗粒为细棒状，宽度约为800～1600 nm；从（b）中可以看出氧化钇颗粒仍为棒状，只是颗粒发生长大变粗，宽度为1000～2500 nm；在（c）中的纳米氧化钇颗粒也为棒状，宽度大约在1000nm～4000 nm，并且出现了极少数结晶不完全现象。根据前面的分析可知，反应1天和反应3天粉体颗粒都为棒状，结晶性能都比反应5天的好，只不过反应3天时颗粒发生长大，因此，反应时间为1天是较佳选择。

图6 不同反应时间下氧化钇的SEM图

将制得的粉体进行XRD物相分析，所得的图谱如图7所示。在850℃下煅烧的粉末有明显的衍射峰，衍射峰强较大，经过分析，结果表明所得粉体全部为Y2O3的特征衍射峰，由于衍射峰与底线之间的背底较窄，证明粉体的结晶性也比较好，纯度较高。

图7 氧化钇粉体的XRD图

结论

[1] Liu Y, Yang X Q, Peng K L. Microstructure and mechanical properties of yttrium aluminum garnet porous ceramics prepared by different sintering process parameters[J]. Journal of Ceramic Processing Research, 2019, 20(4): 436~441.

[2] Wang R, Wang Y, Fu Z. Spark Plasma Sintering of Transparent YAG Ceramics Assisted by the YAH-YAG Phase Transformation[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2016, 36: 2153~2156.

[3] 郭松林, 孙鲲鹏, 王明刚, 杨玉霞. Fe2O3-CuO-CoO/CC 高温脱硝催化剂性能试验研究[J]. 萍乡学院学报, 2016, 33（3）: 41~44.

[4] Singh S., Singh R. Effect of process parameters on micro hardness of Al-Al2O3composite prepared using an alternative reinforced pattern in fused deposition modelling assisted investment casting[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2016, 37: 162~169.

[5] 聂力, 马伟民, 张勇. Al2O3-ZrO2/Co-Ni-BN金属陶瓷的制备与性能[J]. 硅酸盐学报, 2017, 45（6）: 829~835.

[6] Lin F, Arseniy B, Shen J D, Ricardo C. Size-induced room temperature softening of nanocrystalline yttria stabilized zirconia[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2020, 40(5): 2050~2055

[7] 杨志强, 兰石琨, 包新军. 改进的碳铵沉淀法中氧化钇粉体尺寸及形貌的调控研究[J]. 人工晶体学报, 2019, 48（8）: 1565~1570.

[8] 刘洋, 李志坚, 吴锋, 等. 添加ZrO2或Y2O3对氧化镁高温真空稳定性的影响[J]. 耐火材料, 2018, 52（1）: 31~34.

[9] Xu M H, Wang F, Yang C. Microstructure formation and characterization of nano-tin oxide thin films prepared using different concentration[J]. Materials Science Forum, 2020, 977: 72~77.

[10] 杨文玲, 杜勇, 赵宗彦. 溶液浓度对共沉淀法制备ZnNb2O6粉体及陶瓷性能的影响[J]. 中国陶瓷, 2017, 53（7）: 21~26.

[11] Song J G, Xu M H, Wang F. The influence of the pH value on the preparation and dispersibility of ZrB2-Al(OH)3-Y(OH)3composite powders[J]. Journal of Ceramic Processing Research, 2013, 14(1): 27~30.

[12] Wang F, Chao Y, Xu M H. Preparation of tin oxide nanometer thin films by hydrothermal method[J]. Solid State Phenomena, 2018, 279: 197~201.

[13] 张宏泉, 齐永康, 文进. 钛合金表面CaTiO3涂层的水热制备与形成过程[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38（8）: 2375~2383.

[14] Yang C, Wang F, Li S B. Effect of reaction time on surface nano-structure of Tin oxide nanofilm by hydrothermal method[J]. Key Engineering Materials, 2019, 814: 58~63.

Process Controlling and Performance of Ultrafine Yttrium Oxide Powder Synthesizing Via Hydrothermal Method

LIU Yue1, LUO Hui-hui1, LIU Rong-jin3, HE Chun-yan1, WANG Xiu-qin3, GUAN Zhi-qiang1, JIANG He-ping4

(1. Key Laboratory for Industrial Ceramics of Jiangxi Province, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000; 2. College of Materials Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541004; 3. Library of Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000; 4. Jiangxi Hexin High-tech Industry Co., Ltd., Pingxiang Jiangxi 337022, China)

Yttrium oxide is one of the important application materials in rare earth oxides, which has excellent high temperature resistance and corrosion resistance, and is widely used in various manufacturing industries and military industries. In the paper, the process controlling and performance of ultrafine yttrium oxide powder synthesized by hydrothermal method are investigated. The conclusion is drawn from the analysis of the results that the particle size of the yttrium oxide powder gradually increases as the solution concentration increases, and the specific surface area gradually decreases. The particle morphology is rod-shaped. When the concentration of the solution is 0.1 mol/L, powder particles with controllable morphology and smaller particle size can be obtained. As the pH value increases, the particle size of the yttrium oxide powder particles gradually decreases, and the specific surface area gradually increases. When the pH value is equal to 11, the ultrafine yttrium oxide powder with better morphology and smaller particle size can be obtained. The particle size of the powder particles will gradually increase as the reaction time increases, and the specific surface area will increase first and then decrease. When the reaction time is 1 day, the yttrium oxide powder obtained has a controllable morphology and a smaller particle size.

Yttrium oxide powder; process control; hydrothermal method; rare earth oxide; particle size

2020-02-23

江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ181107）；江西省高等学校教学改革研究项目（JXJG-18-22-2）；萍乡学院科技项目（2019D0207）

刘悦（1981—），女，河北咸县人，讲师，硕士，研究方向：先进粉体材料制备。

TQ174.4

A

2095-9249（2020）03-0048-05

〔责任编校：范延琛〕