稀土碳酸盐制备铈基稀土抛光粉的研究

论文摘要

铈基稀土抛光粉是一种优良的抛光材料,因其独特的抛光性能及质量,而被广泛地应用于光学玻璃、电子产品等高科技领域。铈基抛光粉的抛光性能是由其特殊的物理化学性质决定的。而如何制备出性能优异的抛光粉,已经成为一项热门的研究课题。本论文以铈碳酸盐和镧铈碳酸盐为原料,通过球磨粉碎、掺氟、干燥、焙烧等工艺过程,制备出WFC型（氧化铈）、C型（含氟氧化铈）、WFLC型（镧铈氧化物）和LC型（含氟镧铈氧化物）铈基稀土抛光粉,并从晶体学的角度分析了其晶体结构,测试了其抛光性能,进而研究了晶体形貌和晶体结构与抛光性能之间的关系。论文分为四个部分：第一部分通过XRD和DTA方法对四种铈基稀土抛光粉制备流程中的粉碎过程、氟化过程、干燥过程、焙烧过程的相组成和化学反应进行了研究。并首次分别对C型（掺氟铈碳酸盐）和LC型（掺氟镧铈碳酸盐）碳酸盐焙烧过程中稀土氟氧中间化合物生成的动力学进行了研究,结果表明：其反应在357～417℃温度范围和425～452℃温度范围的动力学方程分别为y1=-4.4×102x+0.45和y2=-3.4×103x+0.69；表观活化能分别为E1=8425 kJ·mol-1,E2=65104kJ·mol-1;反应级数分别为n1=0.45和n2=0.69。第二部分采用XRD、SEM和HRTEM等测试技术对四种铈基稀土抛光粉的颗粒形貌、晶体结构（晶体尺寸、晶格常数、晶格畸变）进行了研究。结果表明：①WFC型、WFLC型铈基稀土抛光粉的烧结颗粒形貌呈片状和针状,C型和LC型铈基稀土抛光粉的烧结颗粒呈球形团聚体状态；四种铈基稀土抛光粉的颗粒都由球形晶粒组成,其中WFC型晶粒聚集紧密,WFLC型晶粒聚集紧密度仅次于WFC型,C型晶粒聚集相对松散,LC型晶粒聚集紧密度大于C型。说明F对颗粒形貌和聚集状态影响显著。②La固溶于CeO2晶格中,同时含有F时,La部分存在于CeO2晶格中形成固溶体,部分La和F共同形成新相CeLa2O3F3。③在950℃下,随焙烧时间的延长,四种铈基稀土抛光粉的晶粒尺寸均不断增大。F对CeO2的晶粒尺寸的影响大于La。同时掺La和F的铈基稀土抛光粉中的物相CeLa2O3F3将F大量固定,导致氟主要以镧铈氟氧化物存在,使得C型和LC型的CeO2晶粒的生长趋势基本一致；四种铈基稀土抛光粉中CeO2的晶格常数总的变化趋势是逐渐减小并趋于稳定,各铈基稀土抛光粉中CeO2晶格常数的大小次序为LC型>WFLC型>C型>WFC型；晶格畸变逐渐减小,F对CeO2晶格畸变的影响大于La。第三部分研究了焙烧条件、粒度分布、颗粒形貌、晶体结构（晶体尺寸和结晶子径结晶形状）与抛光粉性能之间的关系。结果表明：四种稀土抛光粉的抛光能力大小为LC型>WFLC型>C型>WFC型；950℃焙烧的LC型（含氟镧铈氧化物）稀土抛光粉的研削力、划伤和光洁度的指标都优于其他条件下制备的抛光粉；L111/L200比值太小则三级棱角十分尖锐,容易划伤工件表面；L111/L200比值太大,则三级棱角不明显,抛光能力下降,进而证明L111/L200比值接近1时抛光效果最好。第四部分采用Hunter Lab空间色体系理论,研究了以镧铈碳酸盐生产的稀土抛光粉的颜色与抛光性能的关系。其结果表明：随着焙烧温度和焙烧时间的增加,稀土抛光粉L、b值减小,a值增大,颜色逐步变深；稀土抛光粉颜色与研削能力呈规律变化。这为直接用抛光粉色度参数控制抛光粉的生产条件和评价产品质量提供了可能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铈基稀土抛光粉简介
• 1.2 铈基稀土抛光粉及研磨抛光技术的发展
• 1.2.1 铈基稀土抛光粉的发展历程
• 1.2.2 研磨、抛光技术的发展历程
• 1.3 铈基稀土抛光粉的品种及质量
• 1.4 铈基稀土抛光粉的应用领域
• 1.4.1 阴极射线显示器
• 1.4.2 液晶显示器
• 1.4.3 平板玻璃抛光
• 1.4.4 光学器件
• 1.4.5 电子元件的抛光
• 1.5 铈基稀土抛光粉制备方法的研究现状
• 1.5.1 稀土固体原料焙烧法
• 1.5.2 以可溶性盐为原料的沉淀-焙烧法
• 1.5.3 其他沉淀剂沉淀-焙烧法
• 1.6 铈基稀土抛光粉的主要特征
• 1.6.1 化学性质
• 1.6.2 铈基稀土抛光粉的物理性质
• 1.6.3 铈基稀土抛光粉的主要表征
• 1.7 铈基稀土抛光粉性能研究方法
• 1.7.1 化学分析方法
• 1.7.2 粒度分析
• 1.7.3 差热分析
• 1.7.4 XRD分析
• 1.7.5 晶粒及颗粒形貌分析
• 1.7.6 晶体结构分析
• 1.7.7 抛光机理及抛光性能研究
• 1.8 本课题的研究意义与研究内容
• 1.8.1 我国铈基抛光粉产业的优劣势
• 1.8.2 铈基抛光粉研究领域面临的问题
• 1.8.3 本课题的研究内容
• 第二章 铈基稀土抛光粉前驱体的制备过程研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验设备与测试仪器
• 2.3 铈基稀土抛光粉前驱体的制备方法
• 2.3.1 实验流程
• 2.3.2 原料稀土碳酸盐的粉碎过程和方式
• 2.3.3 氢氟酸加入量的确定
• 2.3.4 干燥过程
• 2.3.5 焙烧过程
• 2.4.实验结果与讨论
• 2.4.1 原料稀土碳酸盐的粉碎过程
• 2.4.2 稀土碳酸盐的氟化反应研究
• 2.4.3 稀土碳酸盐干燥过程的化学反应与相组成研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 稀土碳酸盐的焙烧过程研究
• 3.1 研究稀土碳酸盐焙烧过程的意义
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 焙烧制度的确定
• 3.2.4 分析检测手段
• 3.3 实验结果分析
• 3.3.1 WFC工艺的焙烧过程研究
• 3.3.2 C工艺焙烧处理过程
• 3.3.3 WFLC工艺焙烧处理过程
• 3.3.4 LC工艺焙烧处理过程
• 3.3.5 焙烧反应过程的动力学研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 铈基稀土抛光粉的晶体结构研究
• 4.1 研究铈基稀土氧化物晶体结构的意义
• 4.2 铈基稀土抛光粉的颗粒形貌和晶粒形貌
• 4.2.1 铈基稀土抛光粉的颗粒形貌
• 4.2.2 铈基稀土抛光粉的晶粒形貌
• 4.3 铈基稀土抛光粉的相组成
• 4.3.1 无掺杂铈基稀土抛光粉的相组成
• 4.3.2 掺氟铈基稀土抛光粉的相组成
• 4.3.3 掺镧铈基稀土抛光粉的相组成
• 4.3.4 同时掺氟、镧的铈基稀土抛光粉的相组成
• 4.4 铈基稀土抛光粉的晶体结构
• 4.4.1 铈基稀土抛光粉的晶粒生长
• 4.4.2 铈基稀土抛光粉的晶粒尺寸
• 4.4.3 铈基稀土抛光粉晶粒的晶格常数
• 4.4.4 铈基稀土抛光粉晶粒的晶格畸变
• 4.5 本章小结
• 第五章 铈基稀土抛光粉抛光性能的研究
• 5.1 研究铈基稀土抛光粉抛光性能的意义
• 5.2 实验设备与方法
• 5.2.1 实验设备
• 5.2.2 实验流程
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 掺杂元素对抛光性能的影响
• 5.3.2 晶粒形貌对抛光性能的影响
• 5.3.3 晶体结构对抛光性能的影响
• 5.3.4 抛光粉的物理抛蚀过程
• 5.4 关于抛光机理的认识
• 5.5 本章小结
• 第六章 铈基稀土抛光粉颜色的测定及影响因素
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法与原料
• 6.2.1 颜色的基本理论
• 6.2.2 试验方法及仪器
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 稀土抛光粉三个色度参数的关系
• 6.3.2 影响抛光粉颜色变化的因素
• 6.3.3 色度参数与抛光粉研削力的关系
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 本文作者简介及攻读博士学位期间发表的论文