【摘 要】
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氧化钇稳定氧化锆(YSZ)具有良好的抗热稳定性、耐化学腐蚀、热胀系数较接近金属材料等特性,拥有巨大市场。为实现工业化量产,考虑成本、设备、可操作性等因素,本文择优选择共沉淀制备方法,针对该方法存在的不足探索工艺条件,通过优化数值模拟过程反应釜参数以及实验过程沉淀操作条件,获得粒度可控、分散性好、质量重现性强的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉体。本课题采用实验研究方法和CFD数值模拟方法相结合研究了以下内容:
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氧化钇稳定氧化锆(YSZ)具有良好的抗热稳定性、耐化学腐蚀、热胀系数较接近金属材料等特性,拥有巨大市场。为实现工业化量产,考虑成本、设备、可操作性等因素,本文择优选择共沉淀制备方法,针对该方法存在的不足探索工艺条件,通过优化数值模拟过程反应釜参数以及实验过程沉淀操作条件,获得粒度可控、分散性好、质量重现性强的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉体。本课题采用实验研究方法和CFD数值模拟方法相结合研究了以下内容:模拟部分:(1)在探索最优沉淀反应釜参数过程中,为节省实验费用和时间,并得到可视化结果,采用了 ANSYS软件Fluent模块,建立与实际反应釜相对应的反应釜模型模拟釜内流场分布,模拟结果显示该共沉淀反应釜以下压式搅拌桨400 rpm转速工作时,可得到无死区、混合效果佳、剪切力分布均匀的流动场。分析可知:斜叶桨的混流效果加三层桨的轴流促进效果,使得该反应釜混合时间短,适用于反应十分快速的沉淀结晶过程。(2)在此基础上进行优化,综合优化后各模型的速度、剪切、混合时间分布图得出:若改用4叶桨(其他条件均不变)可在保证剪切力适中的情况下,得到混合快速、高效的流场,即可制备出粒径分布均匀、分散性好、晶体形貌规则的粉体产品。(3)根据实验中激光粒度仪所测得的氧化锆前驱体粒度分布,运用群体平衡模型模拟其在反应釜内的悬浮状态,模拟显示,搅拌桨转速到达500rpm时,颗粒悬浮状态可观,因此,控制在该转速可保证最低能耗同时大大降低颗粒沉底几率,提高产品沉降性能,改善其过滤、洗滤过程中的抽滤难问题。实验部分从影响环保、后续易分离角度考虑采用氢氧化钠作沉淀剂,根据影响共沉淀法沉淀过程的主要五个操作条件,采用并加料方式,控制较高的水浴温度(60度),从反应体系pH值、陈化过程粒度变化趋势来探索最佳氧化钇稳定氧化锆前驱体的制备方法及其沉淀机理。实验显示,在钇、锆共沉淀过程中,pH值控制在7左右可获得沉降性能好、物相均一的YSZ前驱体。短时间内陈化对粉体粒度影响不是很大。
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