一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法
阅读说明：本技术 一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法 (Method for preparing Bi2212 micro-nano powder by chemical combustion ) 是由 金利华 李成山 白利锋 刘国庆 徐晓燕 焦高峰 郝清滨 李珍宝 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法,该方法包括：一、将Bi2212共沉淀粉末与冰乙酸恒温搅拌反应后与无水乙醇、丙烯酸混合得到前驱液；或者将氧化铋、氧化铜、碳酸钙、碳酸锶混合研磨后热处理,与冰乙酸混合进行恒温搅拌反应后与无水乙醇、丙烯酸混合得到前驱液；二、将前驱液在燃烧腔体内喷出形成雾滴,通入空气并点燃使雾滴燃烧反应得到纳米氧化物粉末；三、成相热处理得到Bi2212微纳粉末。本发明利用前驱液中无水乙醇和丙烯酸的助燃作用,使得前驱液雾滴处于高温状态下并直接气化得到纳米氧化物粉末,解决了传统热分解方法中热解产物颗粒尺寸较大的问题,提高了Bi2212微纳粉末的反应活性和制备效率。(The invention discloses a method for preparing Bi2212 micro-nano powder by chemical combustion, which comprises the following steps: firstly, stirring and reacting Bi2212 coprecipitated starch powder with glacial acetic acid at constant temperature, and then mixing with absolute ethyl alcohol and acrylic acid to obtain a precursor solution; or mixing and grinding bismuth oxide, copper oxide, calcium carbonate and strontium carbonate, then carrying out heat treatment, mixing with glacial acetic acid, carrying out constant-temperature stirring reaction, and then mixing with absolute ethyl alcohol and acrylic acid to obtain a precursor solution; secondly, spraying the precursor liquid in a combustion cavity to form fog drops, introducing air and igniting to enable the fog drops to be subjected to combustion reaction to obtain nano oxide powder; and thirdly, performing phase forming heat treatment to obtain Bi2212 micro-nano powder. According to the invention, the combustion supporting effect of absolute ethyl alcohol and acrylic acid in the precursor liquid is utilized, so that the precursor liquid fog drops are in a high-temperature state and are directly gasified to obtain the nano oxide powder, the problem that the particle size of a pyrolysis product in the traditional thermal decomposition method is large is solved, and the reactivity and the preparation efficiency of the Bi2212 micro-nano powder are improved.)
技术领域
本发明属于高温超导材料技术领域，具体涉及一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法。
背景技术
Bi2Sr2CaCu2Ox(Bi-2212)线材具有优异的低温高场载流性能，是目前高温超导材料的研究热点。高质量的前驱粉末是获得高性能Bi-2212线材的前提条件。改进或者优化前驱粉末的制备技术是Bi-2212线材研究领域的关键核心。为了提高前驱粉末的质量和均匀性，研究人员采用不同中方法制备Bi2212前驱粉末。例如，采用熔铸法将铋、锶、钙、铜的氧化物粉末经过高温下熔融得到含有中间相的块材，将块材进一步破碎、喷射研磨、压块，然后在空气条件下经多步烧结热处理，将中间相转化为高纯度的Bi-2212相。或者采用共沉淀的方法，将硝酸盐水溶液与草酸乙醇溶液混合后，形成草酸盐混合物，通过精确控制混合物的pH值、陈化温度和时间，减少上清液中离子残留，获得良好的化学计量比的草酸盐沉淀，经过多步研磨、热解、烧结等热处理后，得到Bi-2212前驱粉。这些方法一般所需的工序步骤较多，制备粉末周期较长，且经过多步烧结；同时，传统方法获得的粉末尺寸较大，粉末的均匀性差，而前驱粉末的质量不高导致线材性能较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法。该方法向乙酸盐前驱体中加入无水乙醇、丙烯酸混合成前驱液进行燃烧反应，利用前驱液中无水乙醇和丙烯酸的助燃作用，使得前驱液雾滴处于高温状态下并直接气化，得到纳米氧化物粉末，解决了传统热分解方法中雾滴受热收缩团聚、导致热解产物颗粒尺寸较大的问题，且纳米氧化物粉末的均匀性高，颗粒间无偏析不团聚，提高了Bi2212微纳粉末的质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、配制前驱液：将Bi2212共沉淀粉末与冰乙酸混合并进行恒温搅拌反应，得到澄清的乙酸盐溶液，然后将乙酸盐溶液与无水乙醇、丙烯酸混合，得到稳定清亮的前驱液；
或者将氧化铋、碳酸锶、碳酸钙与氧化铜按照Bi：Sr：Ca：Cu＝1.05:1.9:0.86:2.0的原子比例混合形成混合粉末，经研磨30min后装入烧舟中，放置于马弗炉内在800℃恒温反应2h进行热处理，然后将热处理后的混合粉末与冰乙酸混合并进行恒温搅拌反应，得到澄清的乙酸盐溶液，再将乙酸盐溶液与无水乙醇、丙烯酸混合，得到稳定清亮的前驱液；
步骤二、制备纳米氧化物粉末：将步骤一中得到的前驱液装入储料罐中，在隔膜泵的作用下经导液管注入喷管的内管中，并在燃烧腔体内喷出形成雾滴，然后采用空气压缩机将空气经导气管注入喷管的外管中并进入燃烧腔体，经点燃使雾滴进行燃烧反应，得到纳米氧化物粉末；
步骤三、制备Bi2212微纳粉末：将步骤二中得到的纳米氧化物粉末进行成相热处理，得到Bi2212微纳粉末。
本发明将Bi2212共沉淀粉末与冰乙酸反应获得乙酸盐前驱体，或者将各原料粉末直接研磨热处理后与冰乙酸反应获得乙酸盐前驱体，然后与无水乙醇、丙烯酸混合成前驱液，利用丙烯酸螯合前驱体液中的金属离子，提高了前驱液组分的稳定性，将前驱液送入燃烧腔体体通入空气并点燃进行燃烧反应，在前驱液中无水乙醇和丙烯酸直接助燃的作用下，前驱液雾滴处于高温状态下并直接气化，得到纳米尺寸、多组元的纳米氧化物粉末，从而解决了传统热分解方法中雾滴受热收缩团聚、导致热解产物颗粒尺寸较大的问题，且纳米氧化物粉末的均匀性高，颗粒间无偏析不团聚，反应活性高，有利于后续Bi2212粉末低温和快速成相，得到Bi2212微纳粉末，进而有利于改善后续Bi2212线材的性能。
上述的一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法，其特征在于，步骤一中所述Bi2212共沉淀粉末中各金属元素的比例为Bi：Sr：Ca：Cu＝2.17：1.94：0.89：2；所述Bi2212共沉淀粉末制备过程中的热处理的温度为500℃～850℃；所述Bi2212共沉淀粉末与冰乙酸恒温搅拌反应以及热处理后的混合粉末与冰乙酸恒温搅拌反应的温度均为80℃～120℃，搅拌速度均为200r/min～300r/min。
上述的一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法，其特征在于，步骤一中所述Bi2212共沉淀粉末与冰乙酸的质量比为1:5，对应乙酸盐溶液与无水乙醇、丙烯酸的体积比为1：3～6：0.5～1。
上述的一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法，其特征在于，步骤一中所述热处理后的混合粉末与冰乙酸的质量比为1:6，对应乙酸盐溶液与无水乙醇、丙烯酸的体积比为1：3～6：0.5～1。
上述的一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法，其特征在于，步骤二中所述前驱液在隔膜泵的作用下的流速为1L/h～2L/h；所述空气在空气压缩机的作用下的流速为60L/min。
上述的一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法，其特征在于，步骤三中所述成相热处理采用的气氛为空气或者氧气，采用的温度为860℃，时间为5h～20h。
上述的一种化学燃烧制备Bi2212微纳粉末的方法，其特征在于，步骤三中所述Bi2212微纳粉末中含有片层状Bi2212粉末，且片层厚度小于200nm，平均宽度不超过1μm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明向乙酸盐前驱体中加入无水乙醇、丙烯酸混合成前驱液进行燃烧反应，利用前驱液中无水乙醇和丙烯酸的助燃作用，使得前驱液雾滴处于高温状态下并直接气化，得到纳米氧化物粉末，解决了传统热分解方法中雾滴受热收缩团聚、导致热解产物颗粒尺寸较大的问题，且纳米氧化物粉末的均匀性高，颗粒间无偏析不团聚，提高了Bi2212微纳粉末的质量，整个燃烧制粉过程时间短，实现了Bi2212微纳粉末的快速制备。
2、本发明得到纳米氧化物粉末反应活性高，且原子间扩散距离短，多组元纳米颗粒在低温阶段就开始转化为Bi2212晶粒，实现一步法热处理成相反应，相对于传统多步烧结热处理，本发明中Bi2212微纳粉末的成相反应速率高，改善了其综合制备效率。
3、本发明通过控制纳米氧化物粉末的质量，使得Bi2212微纳粉末的质量提高，成相得到的Bi2212微纳粉末具有高纯的相组成和尺寸均匀性，且Bi2212微纳粉片层厚度小于200nm，平均宽度不超过1μm，提高了后续用于制备Bi2212线材芯丝的融化一致性，促进Bi2212晶粒再结晶生长，改善晶粒的取向和连接性能，进而提高Bi2212线材的超导性能。
4、本发明的制备方法简单，流程短，效率高，易于实现产业化
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明制备Bi2212微纳粉末采用的化学燃烧装置的结构示意图。
附图标记说明：
1—储料罐； 2—空压机； 3—隔膜泵；
4—喷管； 5—燃烧腔体； 6—导气管；
7—导液管。
具体实施方式
如图1所示，本发明制备Bi2212微纳粉末采用的化学燃烧装置包括燃烧腔体5和连接在燃烧腔体5上的喷管4，所述喷管4由环套的内管和外管组成，且喷管4的内管通过导液管7与储料罐1连接，导液管7上设置有隔膜泵3，喷管4的外管通过导气管6与空压机2连接。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、配制前驱液：将Bi2212共沉淀粉末与冰乙酸按照1:5的质量比混合并在温度为120℃、搅拌速度为200r/min的条件下进行恒温搅拌反应，得到澄清的乙酸盐溶液，然后将乙酸盐溶液与无水乙醇、丙烯酸按照1：6：1的体积比混合，得到稳定清亮的前驱液；所述Bi2212共沉淀粉末中各金属元素的比例为Bi：Sr：Ca：Cu＝2.17：1.94：0.89：2，所述Bi2212共沉淀粉末制备过程中的热处理的温度为850℃；
步骤二、制备纳米氧化物粉末：将步骤一中得到的前驱液装入储料罐1中，在隔膜泵3的作用下以1L/h的流速经导液管7注入喷管4的内管中，并在燃烧腔体5内喷出形成雾滴，然后采用空气压缩机2将空气以60L/min的流速经导气管6注入喷管4的外管中并进入燃烧腔体5，并点燃使雾滴进行燃烧反应，得到纳米氧化物粉末；
步骤三、制备Bi2212微纳粉末：将步骤二中得到的纳米氧化物粉末进行成相热处理，得到Bi2212微纳粉末；所述成相热处理采用的气氛为空气，采用的温度为860℃，时间为20h。
经检测，本实施例制备的纳米氧化物粉末的尺寸为20nm，且组分均匀，经成相热处理后，得到的Bi2212微纳粉末中含有片层状Bi2212粉末，且片层厚度小于200nm，平均宽度为1μm，Bi2212微纳粉末中的Bi2212相含量达99.5％。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、配制前驱液：将氧化铋、碳酸锶、碳酸钙与氧化铜按照Bi：Sr：Ca：Cu＝1.05:1.9:0.86:2.0的原子比例混合形成混合粉末，经研磨30min后装入烧舟中，放置于马弗炉内在800℃恒温反应2h进行热处理，然后将热处理后的混合粉末与冰乙酸按照1:6的质量比混合，并在温度为80℃、搅拌速度为300r/min的条件下进行恒温搅拌反应，得到澄清的乙酸盐溶液，再将乙酸盐溶液与无水乙醇、丙烯酸按照1：6：1的体积比混合，得到稳定清亮的前驱液；
步骤二、制备纳米氧化物粉末：将步骤一中得到的前驱液装入储料罐1中，在隔膜泵3的作用下以1L/h的流速经导液管7注入喷管4的内管中，并在燃烧腔体5内喷出形成雾滴，然后采用空气压缩机2将空气以60L/min的流速经导气管6注入喷管4的外管中并进入燃烧腔体5，并点燃使雾滴进行燃烧反应，得到纳米氧化物粉末；
步骤三、制备Bi2212微纳粉末：将步骤二中得到的纳米氧化物粉末进行成相热处理，得到Bi2212微纳粉末；所述成相热处理采用的气氛为氧气，采用的温度为860℃，时间为20h。
经检测，本实施例制备的纳米氧化物粉末的尺寸为50nm，且组分均匀，经成相热处理后，得到的Bi2212微纳粉末中含有片层状Bi2212粉末，且片层厚度小于200nm，平均宽度为1μm，Bi2212微纳粉末中的Bi2212相含量达99.5％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、配制前驱液：将Bi2212共沉淀粉末与冰乙酸按照1:5的质量比混合并在温度为120℃、搅拌速度为200r/min的条件下进行恒温搅拌反应，得到澄清的乙酸盐溶液，然后将乙酸盐溶液与无水乙醇、丙烯酸按照1：3：0.5的体积比混合，得到稳定清亮的前驱液；所述Bi2212共沉淀粉末中各金属元素的比例为Bi：Sr：Ca：Cu＝2.17：1.94：0.89：2，所述Bi2212共沉淀粉末制备过程中的热处理的温度为500℃；
步骤二、制备纳米氧化物粉末：将步骤一中得到的前驱液装入储料罐1中，在隔膜泵3的作用下以2L/h的流速经导液管7注入喷管4的内管中，并在燃烧腔体5内喷出形成雾滴，然后采用空气压缩机2将空气以60L/min的流速经导气管6注入喷管4的外管中并进入燃烧腔体5，并点燃使雾滴进行燃烧反应，得到纳米氧化物粉末；
步骤三、制备Bi2212微纳粉末：将步骤二中得到的纳米氧化物粉末进行成相热处理，得到Bi2212微纳粉末；所述成相热处理采用的气氛为空气，采用的温度为860℃，时间为5h。
经检测，本实施例制备的纳米氧化物粉末的尺寸为70nm，且组分均匀，经成相热处理后，得到的Bi2212微纳粉末中含有片层状Bi2212粉末，且片层厚度小于200nm，平均宽度为1μm，Bi2212微纳粉末中的Bi2212相含量达99％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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