硝酸铈爆轰制备球形纳米CeO2颗粒-爆炸与冲击

第29卷第1期爆炸与冲击V o l.29,N o.1 2009年1月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S J a n.,2009

文章编号:1001-1455(2009)01-0041-04

硝酸铈爆轰制备球形纳米C e O 2颗粒*

杜云艳,李晓杰,王小红,闫鸿浩,孙贵磊,江德安

(大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连116023)

摘要:以硝酸铈为原料,利用爆轰合成方法制备了C e O2纳米粒子㊂采用X R D和T E M对爆轰产物进行了检测和表征,并考察了尿素和亚硝酸钠对爆轰产物形貌的影响㊂3次实验结果表明,实验所得的C e O2晶体均为立方莹石结构,粒径分别为45㊁64㊁33n m㊂比较发现:混合炸药中加入尿素后,颗粒外观呈球形;混合炸药加入亚硝酸钠后,颗粒直径较小㊂

关键词:爆炸力学;纳米C e O2;爆轰合成;硝酸铈;尿素

中图分类号:O389;O614.33;T F123.7国标学科代码:130㊃35文献标志码:A

1引言

纳米C e O2具有广泛的用途[1],可以用于抛光㊁汽车尾气净化㊁作为发光材料㊁电子陶瓷等㊂其中球形纳米二氧化铈由于具有化学反应和机械研磨的双重抛光作用,因而抛光速度快,对晶面伤害小而在研磨磨料中具有重要的地位[2]㊂目前制备纳米C e O2的方法有很多,但制备球形纳米二氧化铈的报道并不多见㊂现有的制备球形纳米C e O2的方法有机械活化法[3]㊁水热晶化法[4]㊁喷雾燃烧法[5]㊂机械活化法因为有高温煅烧过程,粒子容易团聚,分散性差;水热晶化法要用到高压反应釜设备,投资大;喷雾燃烧法设备要求高,产量低;所以有必要进一步探索新的合成方法㊂

考虑到爆轰合成具有工序简单,爆轰时易于生成纳米球形颗粒[6-8]的特点,本文中选用较廉价的硝酸铈作为C e O2前驱体,采用爆轰合成的方法,对合成球形纳米C e O2进行了初步探索㊂以下共有3个实验,实验1只采用硝酸铈和泰安炸药两种成分,以确定未添加物时的爆轰合成效果㊂由文献[8]可知,在当采用硝酸铝和尿素混合后,再与黑索金制成混合炸药,爆轰后,所得纳米氧化铝外观呈球形,所以实验2中加入了尿素,以观察尿素可否对球形纳米C e O2的形成也起作用㊂由文献[3]可知,在碳酸铈的球磨过程中,加入氯化钠,可以起到助磨和阻聚的作用;考虑到若是在混合炸药中加入氯化钠,是否也能在纳米C e O2的生成过程中起到阻聚的作用?但是由于氯离子有强烈的腐蚀作用和毒副作用,所以本文中选用亚硝酸钠,因为亚硝酸钠在高温下会分解生成碳酸钠,而且亚硝酸钠是氧化剂,可以补偿炸药的负氧平衡,故在实验3中加入了亚硝酸钠㊂

2实验

2.1爆炸合成方法与检验方法

将预制好的药柱利用吊线悬挂在爆炸容器中心,如图1所示,然后接好导线,将爆炸容器密封好,用电雷管将药柱引爆㊂爆轰反应后,待纳米C e O2沉淀完毕,利用左侧的排气孔将废气排出,然后打开右侧的罐盖,收集爆炸罐内壁及底部沉淀的纳米C e O2粉末㊂采用X R D-6000型X射线衍射仪分析样品粒子的晶型和晶粒度,测定条件为C u靶(Kα,λ=0.15406n m),管电压40k V,管电流30m A,扫描速度4ʎ/m i n,扫描范围20ʎ~100ʎ;采用J E M-100C XⅡ型透射电镜分析样品粒子的形貌及大小㊂

*收稿日期:2007-09-24;修回日期:2007-12-03

基金项目:国家自然科学基金项目(10572034,10602013)

作者简介:杜云艳(1981 ),女,硕士㊂

图1爆炸容器示意图F i g .1S c h e m a t i c o f t h e e x p l o s i o nv e s s e l 2.2 爆轰合成实验

图23种样品的X 射线衍射图F i g .2X R D p a t t e r n s o f t h e t h r e e s a m p l e s 实验1 分别取硝酸铈(C e (N O 3)3㊃6H 2O )与泰安炸药各400g ,即按照1ʒ1的比例混合㊂混合前,硝酸铈手工研磨1h ㊂硝酸铈与泰安炸药混合均匀后即制成了混合

炸药,加入适量的起爆药,插上雷管,然后置

入爆炸罐中进行引爆㊂爆轰完成后,收集爆

轰产物㊂将产物作X 射线衍射和T E M 透射

分析,结果见图2~3中的样品1㊂

实验2 取15g 硝酸铈和15g 尿素(C O (N H 2)2)混合,手工搅拌,同时在80ħ的水浴里加热,几分钟后,混合物析出结晶水

并变成无色透明粘稠液体,加入37.5g 黑索金炸药粉(C 3H 6N 6O 6),搅拌均匀后,加入适量的起爆药,置入爆炸罐中引爆㊂收集爆轰产物水洗后烘干㊂对产物进行X 射线衍射和T E M 透射,

如图2~3中样品2㊂图3纳米C e O 2的T

E M 照片

F i g .3T E Mi m a g e o f t h en a n o -C e O 224爆 炸 与 冲 击 第29卷

实验3 取硝酸铈与尿素各10g ,在40ħ的水浴里加热,

同时搅拌,搅拌的过程中混合物析出结晶水并逐渐变成透明粘稠液体,加入5g 亚硝酸钠(N a N O 2),搅拌均匀后加入25g 黑索金粉,制成混合炸药㊂置入爆炸罐中引爆后,收集爆轰产物,水洗烘干㊂产物的X 射线衍射和T E M 透射结果如图2~3中的样品3㊂

3 结果与讨论

3.1 实验样品的X 射线衍射分析

图2为3个样品的X 射线衍射图谱㊂从图2中可以看出,3个样品的特征衍射峰均与立方氧化铈的特征峰相匹配,说明所制备的样品为单一的立方萤石结构,各峰均显得尖锐,产物的结晶度较好㊂由S c h e r r e r 公式

D =K λβ

c o s θ式中:D 为平均颗粒直径,K =0.89为形状因子,λ=0.15406n m 为铜靶波长,β为半高宽,

θ为衍射峰对应的半衍射角度㊂将上述参数代入S c h e r r e r 公式计算的3个样品的晶粒直径分别为:D 1=45n m ,D 2=64n m ,D 3=33n m ㊂峰型越宽,颗粒越小㊂从衍射图谱上也可以看出,样品3的峰型相对较宽,说明样品3的颗粒最小㊂

3.2 实验样品的透射电镜分析 图3分别是3个样品的透射电镜图像,从图中可以看到,3个实验的爆轰产物颗粒直径均是纳米级

的㊂在样品1中,晶体粒径有的可以小到10n m ,而在图片左边的颗粒有的居然大到130n m ,这是颗粒团聚引起的㊂在爆轰反应的后一阶段,纳米C e O 2粒子在高热的爆轰气体产物中形成了二次聚合,大的颗粒其实是一些小颗粒的团聚体,颗粒之间的边界不明显,颗粒大小分布不均匀㊂样品2中的粒子呈规则的球型,边界明显,说明颗粒的结晶完整,晶粒生长完整,分散性较好,但颗粒较大㊂样品3的粒子也较小,粒子外观不如样品2规则,有的呈现球型的,也有部分呈现为椭球型,颗粒有局部的团聚现象,但对大部分颗粒来说,分散性较好;相对样品1和样品2而言,样品3同时具备了颗粒较小和外观呈类球型的双重优点㊂

在实验1中,

反应物中只有硝酸铈和炸药,颗粒外观不规则㊂在实验2~3中均有尿素加入,实验2与3的产物颗粒均呈球形,这说明尿素的加入在C e O 2球形化的过程中起到了关键作用㊂在实验3中,加入了亚硝酸钠,获得了较小的颗粒直径㊂4 结 论

通过3个对比实验对爆轰合成纳米C e O 2粒子进行了探索性研究㊂3个实验均制备出了纳米C e O 2粒子㊂颗粒形貌随添加物的不同而改变㊂实验2~3所制备的C e O 2颗粒直径尺度均匀㊁

并接近球形㊂由于没有棱角,对被抛光物件表面的伤害也比较小,若能用于硅片㊁光学器件的抛光,将有利于抛光质量的提高㊂

从爆轰法制备C e O 2的过程可见,

在产物中并没有产生必须回收的任何化学溶剂㊁酸碱类,所以无需象其他合成方法一样对污染物进行回收处理㊂另外,这种制备纳米C e O 2的方法生产工序简单㊁成本低廉,具有大规模工业应用的前景,值得深入研究和开发㊂参考文献:

[1] 王艳荣.沉淀法制备纳米二氧化铈[M ].成都:成都理工大学,2004.[2] 徐怀,程秀兰.二氧化铈研磨液在化学机械平坦化中的应用[J ].半导体技术,2007,32(8):657-660.

X U H u a i ,C H E N G X i u -

l a n .A p p l i c a t i o no fC e O 2s l u r r y o nc h e m i c a lm e c h a n i c a l p l a n a r i z a t i o n [J ].S e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y ,2007,32(8):657-660.3

4 第1期 杜云艳等:硝酸铈爆轰制备球形纳米C e O 2颗粒