研究速遞 | TGA/DSC在溶膠凝膠制備氮化物陶瓷材料中的應(yīng)用案例

前言

氮化鋯陶瓷具有高熔點(diǎn)、高硬度、好的化學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)性能，在硬質(zhì)涂層、耐ji端工況材料、核燃料惰性基質(zhì)以及擴(kuò)散障等方面受到了廣泛應(yīng)用。

溶膠凝膠法是制備氮化鋯陶瓷材料的重要方法，它是由溶液中金屬離子經(jīng)水解縮聚逐漸凝膠化，再經(jīng)煅燒形成氧化物前驅(qū)體，最后通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韥淼玫侥繕?biāo)化合物的方法。

內(nèi)凝膠法是溶膠凝膠方法中的一種，指溶膠內(nèi)部含有固化所需的膠凝助劑，如六次甲基四胺，其在受熱后發(fā)生水解可使前驅(qū)體pH上升從而促進(jìn)凝膠固化發(fā)生。內(nèi)凝膠法是制備氧化物和非氧化物陶瓷材料常用的工藝方法。在制備過程中，TGA/DSC測(cè)試是熱處理和燒結(jié)工藝之前必須進(jìn)行的工作，它具有以下三個(gè)方面的重要作用：

（1）凝膠狀態(tài)微球的內(nèi)部存在較多有機(jī)物，通過TGA/DSC測(cè)試能夠初步判斷出凝膠內(nèi)部存在有機(jī)物的熱行為；

（2）TGA/DSC的分析結(jié)果能夠?qū)崽幚頍Y(jié)工藝的制定起到參考借鑒作用，明確劇烈反應(yīng)的溫度范圍，從而制定合理的燒結(jié)溫度；

（3）將添加不同碳源的樣品在相同條件下進(jìn)行TGA/DSC測(cè)試，能夠?qū)Ρ绕湓跓嵝袨樯系男畔⒉顒e。

梅特勒托利多 同步熱分析儀 TGA/DSC 3+

制樣過程

內(nèi)凝膠工藝采用的原料包括硝酸氧鋯、六次甲基四胺、尿素，碳源選取炭黑或果糖。首先，配制硝酸氧鋯的水溶液（溶液I）以及包含六次甲基四胺和尿素的水溶液（溶液II）。隨后添加碳源，當(dāng)碳源選用炭黑時(shí)，則將適量炭黑粉末加入到溶液II中，通過超聲實(shí)現(xiàn)炭黑在其中的均勻分散；當(dāng)碳源選用果糖時(shí)，則將適量果糖溶解于溶液I中，通過攪拌實(shí)現(xiàn)果糖的wan全溶解。加入碳源后，在攪拌條件下將溶液II逐滴加入到溶液I中，混合溶液的pH在這一過程中逐漸升高，形成凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最后將其在60℃干燥后研磨成凝膠粉末，用于熱分析測(cè)試，凝膠粉末樣品形貌如圖1所示。

圖1.（a）含炭黑的凝膠粉末樣品、

  （b）含果糖的凝膠粉末樣品

含炭黑和含果糖的凝膠粉末熱分析過程采用熱重/差示掃描量熱儀（TGA/DSC 3+, Mettler Toledo）進(jìn)行，它的升溫能夠達(dá)到最高1600℃，對(duì)于陶瓷材料的制備過程研究非常適用。實(shí)驗(yàn)過程中，首先稱取適量凝膠粉末樣品置于陶瓷坩堝中，然后以10℃/min的速率升溫至1500℃進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)過程選用氮?dú)鈿夥铡?/span>

結(jié)果討論

在以炭黑和果糖作為碳源時(shí)，相應(yīng)凝膠干燥粉末獲得的TGA/DSC曲線分別如圖2和圖3所示。首先，根據(jù)TGA曲線的變化，兩種凝膠粉末的熱行為均可分為4個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)著吸附水的去除、殘余有機(jī)物分解和碳化、氧化鋯晶型轉(zhuǎn)變、以及碳熱氮化反應(yīng)的發(fā)生。由于碳源組分的差別，兩種凝膠粉末在每個(gè)階段的起止溫度和反應(yīng)劇烈程度不同。

在圖2以炭黑為碳源的凝膠粉末獲得的結(jié)果中，由室溫到240℃，TGA曲線上失重15%對(duì)應(yīng)的是凝膠中吸附水的去除，這里包括物理吸附水和化學(xué)吸附水。從240℃到800℃，TGA曲線上對(duì)應(yīng)48%的失重是由于凝膠中參與的有機(jī)物分解與碳化，殘余的有機(jī)物包括六次甲基四胺、尿素以及在膠凝化過程中形成的脲醛樹脂。DCS曲線在263℃附近出現(xiàn)明顯的放熱峰，對(duì)應(yīng)了殘余有機(jī)物分解碳化最劇烈的階段。第3個(gè)階段從800℃到1140℃，在DSC曲線上1050℃出現(xiàn)的放熱峰，對(duì)應(yīng)的時(shí)氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變過程。在1140℃到1500℃之間，TGA曲線上表現(xiàn)為失重7%、DSC曲線于1200℃的放熱峰，對(duì)應(yīng)的是碳熱氮化反應(yīng)的發(fā)生。

圖2.含炭黑凝膠粉末在N2下的TGA/DSC曲線

圖3.含果糖凝膠粉末在N2下的TGA/DSC曲線

在圖3中，以果糖為碳源的凝膠粉末的熱行為中，其四個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)的溫度范圍為：室溫~210℃、210℃~730℃、730℃~1200℃和1200℃~1500℃，凝膠粉末的相對(duì)失重分別為17%、38%、6%和9%，碳熱氮化反應(yīng)對(duì)應(yīng)的主要失重以及放熱峰位于1300℃附近。

對(duì)比圖2和圖3可知，在以果糖為碳源的圖3中，其在第二個(gè)階段的失重過程相對(duì)緩和，反應(yīng)的劇烈程度較以炭黑為碳源的圖1中凝膠要低。在以果糖為碳源時(shí)，這一過程還包括了果糖的分解與碳化，有機(jī)碳源果糖在溫度升高時(shí)首先通過碳化轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳，隨后在高溫時(shí)參與碳熱氮化反應(yīng)的進(jìn)行。此外，相比于含有果糖的凝膠粉末，以炭黑為碳源時(shí)碳熱氮化反應(yīng)的起始溫度相對(duì)更低。具體地，以炭黑和果糖為碳源時(shí)，碳熱氮化反應(yīng)的峰溫分別為1200℃和1300℃。

結(jié)論

通過TGA/DSC分析明確了凝膠粉末在加熱過程中的熱行為變化過程，包括其中有機(jī)物分解的溫度范圍、碳熱氮化反應(yīng)的發(fā)生、凝膠的總失重、以及不同碳源加入對(duì)凝膠熱行為的影響等具體信息。從而根據(jù)熱分析制定熱處理溫度，在有機(jī)物分解反應(yīng)較為劇烈的溫度范圍內(nèi)，采取較為緩慢的升溫速率，從而保證凝膠中殘余有機(jī)物的充分去除，當(dāng)以果糖為碳源時(shí)同時(shí)保證果糖的有效分解和均勻碳化；確定合理的碳熱氮化溫度，當(dāng)以炭黑和果糖作為碳源時(shí)最高碳熱氮化溫度分別設(shè)置為1400℃和1450℃。根據(jù)圖4和圖5所示的X射線衍射圖譜可知，熱處理后所得產(chǎn)物為單相氮化鋯粉體。

 圖4. 以炭黑作碳源時(shí)所得產(chǎn)物的XRD圖譜及形貌

 圖5. 以果糖作碳源時(shí)所得產(chǎn)物的XRD圖譜及形貌