多孔铂/氧化锆复合材料的制备研究

摘要

随着现代技术的发展，人们对材料的性能要求越来越高。金属/陶瓷复合材料，具有陶瓷的低热膨胀性、化学稳定性、耐腐蚀和高硬度等优点，同时又兼备金属优良的韧性与抗冲击性能。而金属铂添加到钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷的复合材料是研究的热点材料之一，应用广泛。作为催化材料或生物材料，铂（Pt）/YSZ烧结过程中多孔性的保持非常重要。
　　论文通过溶胶?凝胶法，讨论了 YSZ粒子的演变以及铂的存在对 YSZ粒子生长的影响。利用光散射纳米粒度分析技术、透射电子显微镜（TEM）技术以及红外光谱等技术，表征和分析了 ZrO2?与 C2O42?反应得到的溶胶粒径的分布和稳定性、锆氧团簇的种类与晶体的形成。结果表明，ZrO2?与C2O42?反应的温度控制在45℃比较合适，得到凝胶粒子粒径小、分散稳定。所得溶胶中形成的锆氧团簇主要有四元环、六元环以及大八元环相连的结构，以类顶角对称生长以及链状模式等多种结构来进行堆积组合。溶胶中钇离子的存在有利于溶胶中早期形成的锆氧团簇朝着氧化锆的四方结构发展，优先氧化锆四方相或立方相结晶。热重差热（TG?DTA）分析技术和 X射线衍射技术分析表明，当加热到160℃时凝胶脱水，在335?340℃的温度范围内，形成了无定型 ZrO2，500℃可观察到四方相晶体结构的形成。烧结至1450℃，ZrO2粒子的相对密度达到98.5％。当溶胶中添加铂盐时，形成的Pt颗粒会阻碍 YSZ颗粒的致密生长。论文同时考察了金属铋和氧化铋对Pt/YSZ生长的影响。在较低温度下，铋与铂可形成易熔合金，500℃烧结后，经过液相富集生长， Pt/YSZ会形成较大的球形网状颗粒。氧化铋的存在，可促进YSZ颗粒的生长，在500℃下，可使分散的 YSZ颗粒生长成网状。低温下烧结，氧化铋的添加可获得网状结构的多孔Pt/YSZ材料。
　　为了保持高温烧结下 Pt/YSZ材料的多孔性，论文以球形聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为造孔剂，通过扫描电子显微镜（SEM）技术，观察了经过1450℃烧结并在不同保温时间下，不同粒径和含量的球形 PMMA在 YSZ材料中所造成的微观形貌的变化，并用阿基米德排水法获得了 YSZ材料孔隙率的大小，采用三点弯曲试验法测试 YSZ材料的抗折强度。结果表明，在加入40 wt.%，3μm的球形PMMA造孔剂，1450℃保温2 h，球形孔保持的较好，孔结构清晰，孔隙率也较高。随着保温时间的增加，YSZ粒子的生长、迁移和合并，孔径不断变化，孔结构变形并逐渐消失，孔隙率减少。PMMA含量和粒径对 YSZ材料抗折强度的研究表明，在相同含量的 PMMA下，抗折强度随着 PMMA粒径增大而增大，粒径为3.0至5.5μm时，获得的多孔 YSZ材料的抗折强度可达100 MPa。
　　论文在前述球形 PMMA对YSZ材料造孔影响研究的基础上，考察了 PMMA对 Pt/YSZ复合材料烧结的影响。结果表明， Pt的质量分数在5-50 wt.%之间， Pt/YSZ复合材料经高温烧结，球形 PMMA所造的孔洞均匀、形状保持较好。增加 Pt的质量分数到50-80 wt.%时，孔的数量减少甚至消失。当 Pt的质量分数从5 wt.%增加到80 wt.%，球形 PMMA造孔后 Pt/YSZ复合材料的相对密度从42%增加到90%，开孔率从60%降到10%，而闭孔率变化不大。论文同时考察了不同烧结温度下，Pt和 YSZ的形貌和分散状态，结果表明，900℃以下主要表现为 Pt颗粒的生长，Pt颗粒分布在细小的 YSZ颗粒之间。在900℃之后 YSZ也开始明显生长，从900℃升高1450℃时，Pt颗粒和 YSZ相互交织生长成立体多孔网状结构。当 Pt含量为70 wt.%时，金属 Pt相与 YSZ相各自均形成了连续相，两者具有较大的相接触界面，利于导电、催化和力学性能。论文以制备的 Pt/YSZ复合材料作为电极，结果表明 Pt/YSZ复合材料的峰电流和峰面积均比纯 Pt电极的要大很多，并且随着 Pt质量分数的增大，峰电流值也随着减少，表明 Pt/YSZ复合材料具有良好的电化学催化活性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 金属/陶瓷复合材料的应用与制备

1.2 多孔材料中孔的作用、造孔方法和材料及其孔径形貌的影响因素

1.3 溶胶凝胶法制备多孔氧化锆粒子的生长及其演变规律

1.4 本论文研究的意义及内容

第2章 溶胶凝胶YSZ的生长及影响因素研究

2.1 引言

2.2 实验药品与仪器

2.3 实验内容及步骤

2.4 实验结果与讨论

2.5 本章小结

第3章 多孔YSZ材料的制备及其影响研究

3.1 引言

3.2 实验内容及步骤

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 Pt对多孔Pt/YSZ复合材料烧结的影响

4.1 引言

4.2 实验内容及步骤

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期刊所发表的学术论文目录

致谢