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Pr-CeO_2稀土红色陶瓷颜料的低温燃烧—水热合成与表征

王宝利  
【摘要】: 以Ce(NO_3)_3·6H_2O(分析纯)、Pr_6O_(11)(工业级)为主要原料,采用低温燃烧合成(LCS),成功制备出了Ce_(1-x)Pr_xO_2(Pr-CeO_2)纳米晶红色颜料粉体,并对燃烧合成的样品进行水热处理。 研究了燃烧反应中燃烧剂的种类、燃烧剂的配比对反应参数、产物的晶体结构及产物性质的影响;水热处理后的样品的晶体结构及产物的性质,并对水热处理的条件进行优化,找出最佳的水热处理条件;对低温燃烧反应中的Pr的掺杂方式、矿化剂等参数进行优化,找出适合Ce_(1-x)Pr_xO_2红色颜料粉体低温燃烧反应的反应参数;采用低温燃烧法合成不同Pr的掺杂量的Ce_(1-x)Pr_xO_2红色颜料样品,对样品中Ce、Pr的价态,及Ce_(1-x)Pr_xO_2红色颜料的呈色机理进行了探讨。 采用DSC,XRD,SEM,TEM,XPS,EDS,CIE色差计等现代测试方法对产物晶体结构、晶体形貌和晶粒尺寸、Pr的价态以及样品的颜色等进行表征。 结果表明:对于CO(NH_2)_2、(COOH)_2·2H_2O、CH_3COONH_4、C_6H_8O_7、C_6H_(12)O_6、CH_3COOC_2H_5以及NH_4NO_3等多种燃烧剂来说,适用于Ce_(1-x)Pr_xO_2红色颜料粉体LCS合成的燃烧剂为CH_3COONH_4和C_6H_8O_7;以柠檬酸和乙酸铵为燃烧剂的Ce_(1-x)Pr_xO_2的低温燃烧反应制备的样品,与柠檬酸作为燃烧剂的燃烧产物相比,乙酸铵作为燃烧剂所制备的燃烧产物的结晶程度更完整、Pr离子更容易进入CeO_2晶格、呈色更好。乙酸铵作为燃烧剂的燃烧反应中,燃烧剂与氧化剂的最佳配比为2:1,柠檬酸作为燃烧剂的燃烧反应中,燃烧剂与氧化剂的最佳配比为3:1。两种燃烧剂的燃烧产物颗粒尺寸都在200nm-300nm之间。对LCS合成出的Ce_(0.95)Pr_(0.05)O_2样品进行热处理(600℃保温2h),结果发现样品的晶粒发育更加完善,CeO_2晶格的Pr离子的增多,红度值更高。 以Pr_6O_(11)、Pr(NO_3)_4两种方式进行掺杂,结果显示用Pr(NO_3)_4掺杂所得到的样品的晶粒发育,呈色性能更加完善。进入固溶体的Pr离子的含量更接近于实验掺杂量;用Na_2CO_3、CaF_2、NaF、H_3BO_3、LiF、NaClO_3作为矿化剂,研究矿化剂对Ce_(1-x)Pr_xO_2纳米晶氧化物粉体结构性能的影响。研究结果发现,加入矿化剂后粉体的颜色有很大的改善,在加入的6种矿化剂中颜色改善的顺序为: Na_2CO_3 CaF_2 NaF H_3BO_3LiFNaClO_3,可以看出NaClO_3是最适合Ce_(1-x)Pr_xO_2氧化物合成的矿化剂。 水热处理后的样品的结晶程度以及呈色性能都有明显的改善。水热处理后样品的粒度分布更加均匀;在填充比60%,碱性条件下,长的水热处理时间有助于保持粉体晶粒的均匀性,减少了低温燃烧过程中的团聚现象,因而提高了粉体的呈色性能。 采用低温燃烧法合成不同Pr的掺杂量的Ce_(1-x)Pr_xO_2红色颜料样品,对样品中Ce、Pr的价态,及Ce_(1-x)Pr_xO_2红色颜料的呈色机理进行了探讨。结果显示:在我们的研究范围内的所有样品均形成单一的萤石型固溶体,且晶粒尺寸在20nm范围以内。随Pr含量的增加,固溶体的氧空位浓度也一致增大。固溶体中Ce的价态为+4价,Pr的价态为+3价,样品的红度、色饱和度随Pr含量的增加呈先增后减趋势,当x=0.05时有最佳的呈色性能。其呈色机理是因为Pr的掺杂,Pr~(3+)置换了CeO_2晶体中的Ce~(4+),形成固溶体;同时产生了氧离子空位,使晶格发生畸变,自由电子陷落在氧离子空位中而形成缺陷,即形成氧离子空位的杂质色心。导致其吸收波长在600nm左右的光,从而呈现出红色色调。


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