材料科学与工程毕业论文

毕业设计（论文）

论文题目：反应条件对sol-gel合成锆英石的影响

英文题目：Influence of the Reaction Condition on Preparation of

ZrSiO4by Sol-gel

学院：化学生物与材料科学学院

专业：材料科学与工程

学号：07057125

学生姓名：罗秋锋

指导教师：刘晓东、罗太安

二0一一年六月

摘要

高放废物的安全处置是核能开发的世界性难题，技术难度大，研究周期长，涉及地质、化学、材料等多门学科。而对于高放废物地质处置的第一道人工屏障，高放废物固化体的稳定性对于整个处置库具有重要的影响。本论文采用溶胶-凝胶法合成锆英石，研究了反应条件对溶胶-凝胶法合成锆英石的影响，利用物化分析、XRD、电子探针对样品进行检测。结果表明：锆英石前躯体制备的实验优化条件为加水量30mL、pH为2～3；烧结收缩率均大于20%，显气孔率均大于4%，表观密度均小于5.0 g/cm3。产物的化学组成以ZrO2和SiO2等组成为主；凝胶后处理过程中经过氨水洗涤的样品其晶体组成主要以为锆英石（ZrSiO4）和斜锆石（ZrO2）为主，其中含有部分方石英（SiO2），而未经氨水洗涤的样品，其晶体为单一的单斜锆石（ZrO2）。

关键字：锆英石、溶胶-凝胶法、反应条件

ABSTRACT

The safe disposition of high level radioactive waste is a global problem for the nuclear development, since the technical is very difficult, the research cycle is longer，and it refers to different subjects including geology, chemistry, materials, and others.As the first artificial barrier of deep geological disposal of HLW , the stability of immobilization has important influence on disposal repository. This paper synthesizes zircon by Sol-Gel; we dicuss Sol-Gel reaction conditions how to influence the preparation of precursor; Testing the physical and chemical properties of Zircon samples and use XRD, EPMA to analysise the different phase composition and mineral composition of several groups of zircon samples. The experimental conditions for zircon precursor is: amount of water 30m L, pH 2～3. The phase of sample washed by ammonia is form of baddeleyite (ZrO2)and zircon (ZrSiO4) , the other phase （SiO2）.Another without washing only includes baddeleyite (ZrO2). The main compositions of two samples are mainly composed with ZrO2and SiO2,and ZrO2 is the main content..

Key words:Zircon、Sol-Gel、Reaction condition

目录

第一章绪论 (1)

1.1锆英石的结构及性能 (1)

1.2 锆英石的主要应用 (2)

1.3 锆英石的主要合成方法 (2)

1.3.1 固相法 (2)

1.3.2 沉淀法 (2)

1.3.3 水热法 (3)

1.3.4 溶胶—凝胶法 (3)

1.4 溶胶-凝胶法制备陶瓷的基本原理 (3)

1.5 本文研究目的及内容 (4)

1.5.1 本文研究的目的 (4)

1.5.2 本文研究的内容 (6)

第二章实验部分 (7)

2.1 仪器及试剂 (7)

2.2 实验过程 (8)

2.2.1实验流程图 (8)

2.2.2实验具体操作步骤 (8)

2.3 性能测试 (9)

2.3.1线收缩率 (9)

2.3.2体积密度和显气孔率 (9)

2.4 表征方法 (10)

第三章结果与讨论 (11)

3.1 不同实验条件对成胶的影响 (11)

3.1.1加水量 (11)

3.1.2 溶液pH值 (11)

3.2物化性能测试结果 (12)

3.3 XRD测试结果 (13)

3.4 电子探针分析 (13)

结论 (15)

致谢 (16)

参考文献 (17)

第一章绪论

1.1锆英石的结构及性能

锆英石（亦称锆石，锆砂）是生产氧化锆、锆化学品、金属锆和从中提取锆的主要工业矿物，其化学式为ZrSiO

4

，属正方晶系，为中性耐火材料。锆英石作为精密铸造的优良型砂已有长久的应用历史；锆英石或其下游加工产品氧化锆因其熔点高和化学性质稳定，是高级陶瓷和耐火材料的重要材料。

锆英石的理论组成为67.2%ZrO

2和32.8%SiO

2

，原锆石必须经过精选才能用于铸造

生产，锆英石中ZrO

2

的含量应高于60%，否则因杂质过多，使性能恶化。如国内过去

生产的一种低品位锆英石，ZrO

2

含量仅为55%，杂质含量高达10%，致使耐火度不高，热分解温度下降,高温力学性能差,在铸造生产中不能应用。

图1-1 锆石英晶体结构

锆英石(ZrSiO

4

)是岩浆岩、沉积岩和变质岩中常见的岛状硅酸盐矿物。锆英石晶

体的晶胞结构如图1所示。锆英石四方晶系；a

0=0.662 nm，c

=0.602 nm，Z=4。锆英

石结构属于ABO

4结构类型(硅酸盐和磷酸盐)在结构中，［SiO

4

］四面体呈孤立状，彼此

借助Zr4+相联结；且二者在c轴方向相间排列。Zr4+的配位数为8，呈由立方体特殊畸变

而成的［ZrO

8］配位多面体。整个结构也可视为由平行于a轴的共边ZrO

8

三角十二面体

链和平行于c轴的SiO

4四面体与ZrO

8

十二面体交替排列的链所组成，锆英石晶体结构如

图1.1所示。

锆英石是一种重要材料，具有许多独特的性能。它具有极低的热导率(室温下为5.1W/m℃,1000℃为33.5W/m℃)和极低的热膨胀系数(25℃～1400℃为 4.1×10-6/℃)，并且其强度在1400℃的高温也不衰减，同时烧结锆英石具有比莫来石和氧