微波强化部分稳定氧化锆的可控制备及其稳定机制的研究

Partial stabilized zirconia was widely used a refractory material of high temperature industrial fields owing to high melting point, low thermal conductivity, excellent thermal stability and high temperature creep properties. The purpose of this study was to focus on the key issues of efficient use and improve quality and efficiency in the process of zirconium chemicals, fused zirconia were chosen as the research objects, and calcium oxide as stabilizing agent, combine with the traditional features of microwave energy transmission and selective microwave heating to resolve the technical problems of poor product quality control, high roasting temperature, long working time of preparation processing of partially stabilized zirconia. The effects of the physicochemical properties of fused zirconia on the complex dielectric constant and temperature characteristics were characterized using theory analysis, experimental research and characterization. Thermodynamic and kinetic parameters such as martensite phase transition temperature and phase change drive were systematically investigated to obtain the mechanism of reaction kinetics and phase stability of martensite phase transition. Transformation and evolution of fused zirconia in multiple components of multiphase complex system under microwave heating were systematically analyzed to identify the effect of microwave heating on interfacial properties and structure change characteristics of fused zirconia. The process of microwave heating on regulation mechanism and control method of preparation partial stabilized zirconia was clarified, and the technical prototype of controlled prepared partially stabilized zirconia by microwave heating was constructed. Based on the mention results, this method can be applied important methodological for the application in practice, it is of practical significance in achieving industrialization.

部分稳定氧化锆具有熔点高、热导率低、热稳定性好及高温蠕变小等特点，被广泛应用于耐火材料领域。本课题围绕锆化学制品高效利用和提质增效过程中的关键问题，以电熔氧化锆为研究对象，氧化钙为稳定剂，充分利用微波特殊的能量传递方式和转换方式，拟解决制备部分稳定氧化锆工艺中存在产品质量可控性低、煅烧温度高、作业时间长等技术难题。通过建立电熔氧化锆物化性质与介电特性和升温特性的关联关系，系统掌握电熔氧化锆中马氏体相变温度、相变驱动力等热力学和动力学参数，探明相间反应动力学特性和相间稳定机制，重点突破微波作用下电熔氧化锆中多元多相复杂体系组元的转化与演变规律，以及微波加热对部分稳定氧化锆的相界面性质和结构变化的影响规律，阐明微波加热对反应过程的强化作用机制和调控方法，构建部分稳定氧化锆微波加热可控制备的技术原型，该研究在实践中具有非常重要的应用价值，在实现产业化方面具有现实的指导意义。

本研究拟解决制备部分稳定氧化锆工艺中存在产品质量可控性低、煅烧温度高、作业时间长等技术难题。围绕锆化学制品高效利用和提质增效过程中的关键问题，以电熔氧化锆为研究对象，氧化钙为稳定剂，充分利用微波特殊的能量传递方式和转换方式，达到锆化学制品高效利用和提质增效的最终目的。通过氧化锆中理论密度的计算、固溶体化学式的计算完成氧化锆中固溶体类型的判断，从而建立物料的物相成分和结构特点与介电特性的关联关系，分析电熔氧化锆内部的晶体缺陷和氧空位的影响程度，获得电熔氧化锆的晶体结构对其微波吸收性能的影响规律，为全面理解电熔氧化锆在微波加热过程中选择性富集与强化迁移行为建立基础。利用XRD、Raman、SEM、FT-IR等表征手段对获得的锆制品的晶体结构、晶向指数、价态信息、微观形貌、表面官能团等物理化学参数，得到微波加热电熔氧化锆制备部分稳定氧化锆的优化控制参数，进一步揭示微波加热对氧化钙部分稳定氧化锆形成与长大的作用机制，为氧化钙部分稳定氧化锆的可调控制备技术提供解决方案和技术手段。应用 Hoch-Arpshoften模型，获得马氏体相变的两相平衡温度、相变驱动力和马氏体相变起始温度等相关热力学参数，从而探明电熔氧化锆的马氏体相变特性，获得其相间反应动力学和相间稳定机制。最后，相关实验进行了中试试验研究，亦获得最优的工艺参数和最佳的部分氧化锆产品，以上研究可以形成快速、节能、环境友好制备部分稳定氧化锆新方法，进一步拓宽微波加热技术的工业化应用和推广。相关研究成果发表论文16篇，其中SCI收录论文13篇；申请发明专利6项，实用新型专利4项；出版《微波加热设备的研制与应用》专著1部；参与国内外学术会议10余次，分会场特邀报告3次；培养硕士及硕士研究生5名。项目负责人入选云南省万人计划青年拔尖人才、云南省中青年学术和技术带头人，入选云南省高校能源材料化学创新团队等。完成了任务书中规定的所有研究内容和技术指标。