氟化方式對含氟鈰基稀土拋光粉性能的影響

王靜溪

【摘 要】在制備含氟鈰基稀土拋光粉時，首先將氫氟酸與鈰基稀土混合進行氟化處理，經(jīng)氟化反應(yīng)后得到拋光粉前驅(qū)體，然后再經(jīng)高溫焙燒、研磨粉碎等工序，便可以得到稀土元素氧化物拋光粉成品。

【Abstract】In the preparation of rare earth polishing powder containing fluorine cerium radical， its fluorination treatment is mixing the hydrofluoric acid and rare earth containing cerium， then we can obtain the polishing power precursor， by calcination， grinding and other processes， we can get a rare earth oxide polishing powder products.

【關(guān)鍵詞】氟化方式；含氟量；拋光粉性能

【Keywords】fluorination； fluoride content； polishing powder performance

【中圖分類號】O614.332 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0192-02

1 引言

稀土拋光粉屬于稀土氧化物的一種，不僅可以提高拋光加工效率，還可以有效提升拋光產(chǎn)品質(zhì)量，是當前拋光加工行業(yè)中使用較為廣泛的拋光材料。影響稀土拋光粉性能的因素較多，包括焙燒溫度、焙燒時間、拋光粉粒度等，并且制備稀土拋光粉的方法也有多種，但是現(xiàn)階段有關(guān)氟化方式對含氟鈰基稀土拋光粉性能影響的研究較少，缺乏理論指導(dǎo)和經(jīng)驗參考。

2 含氟鈰基稀土拋光粉的制備試驗

2.1 試驗材料及儀器

使用氟化法制備含氟鈰基稀土拋光粉時，所用試驗材料主要有稀土元素氧化物含量為47.37%的工業(yè)級碳酸鑭鈰、去離子水以及氫氟酸三種，所用試驗儀器主要包括鑫邦SY攪拌磨、LS-POP（8A）激光粒度儀、X'Pert PRO型X射線衍射儀、JSM 6510掃描式電子顯微鏡、ZH6431型粉體綜合測試儀幾種。

2.2 含氟鈰基稀土拋光粉的制備過程

在實際操作過程，首先將適量去離子水加入到工業(yè)級碳酸鑭鈰中，待攪拌均勻之后對混合溶液進行水浴處理，水浴溫度控制在52℃不變，然后在混合溶液中緩慢添加氫氟酸。氟化反應(yīng)結(jié)束后，將溶液過濾掉，再對過濾所得的沉淀物進行干燥、焙燒處理，其中干燥溫度計焙燒溫度分別為82℃和960℃，干燥時間和高溫焙燒時間分別為24h和5h。最后對高溫焙燒后的沉淀物進行研磨，以30.8μm為標準對研磨粉進行篩選，將小于該標準的研磨粉進行干燥之后，便可以得到含氟鈰基稀土拋光粉。

2.3 拋光粉性能的初步評估

從試驗得到的含氟鈰基稀土拋光粉中提取100g樣品，與2330mL離子水進行混合攪拌，使其形成拋光粉漿，對普通玻璃進行拋光加工處理，比較質(zhì)量變化。為避免出現(xiàn)試驗誤差，確保所得質(zhì)量差數(shù)據(jù)的準確性，需要進行多次試驗，計算幾次試驗質(zhì)量差的平均值，便可以得到拋蝕量的大小。同時，還需要使用激光共聚焦顯微鏡，對拋光后玻璃表面的光潔度進行觀察。

3 氟化方式對含氟鈰基稀土拋光粉性能的影響

3.1 試驗樣品中的氟化反應(yīng)過程

采用氟化方式制備含氟鈰基稀土拋光粉時，加入試驗樣品中的氟質(zhì)量會通過化學(xué)反應(yīng)不斷發(fā)生變化，并且加入氟的質(zhì)量不同時，樣品中的實際含氟量也是不一樣的。經(jīng)測定可知，當氟的質(zhì)量分數(shù)分別為2%、4%、6%、8%和10%時，樣品中的含氟量分別為0.36%、3.48%、4.26%、6.52%和7.40%，根據(jù)測定數(shù)據(jù)可知樣品中的含氟量與加入氟的質(zhì)量分數(shù)呈正比關(guān)系，但是當氟質(zhì)量分數(shù)增大時，含氟量的增長速率會逐漸較小。當含氟量較少、反應(yīng)不充分時，生成物只有REFCO3，經(jīng)高溫焙燒之后僅得到LaOF、CeO2、HF和CO2，不會產(chǎn)生CeOF。此時，因為樣品中含氟量與加入氟的質(zhì)量減少量相比變化較小，HF氣體可能會進入到CeO2晶格中，與鑭發(fā)生反應(yīng)生成LaOF，干擾了CeO2的正常團聚，此時CeO2就會變得比較小。

3.2 加入氟的質(zhì)量對拋光粉結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響

為了解加入氟的質(zhì)量對拋光粉結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響，首先要知道加入不同量氟的拋光粉的XRD譜，如圖1所示。

對拋光粉的XRD譜進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)在試驗過程中始終沒有生成La2O3，表示鑭原子能夠固溶于CeO2的晶格之中，并且經(jīng)研究可知，當鑭原子固溶度為55%左右時，CeO2的晶體結(jié)構(gòu)仍然為立方螢石結(jié)構(gòu)，此時鑭原子的固溶度達到最高。當樣品中含氟質(zhì)量較小時，鑭原子與CeO2發(fā)生固溶反應(yīng)之后，氟原子也比較少，并且會與進入到CeO2晶格中的O空位上與CeO2相結(jié)合，所以此時不會有LaOF生成。在持續(xù)加入氟之后，隨著反應(yīng)的持續(xù)進行，進入到CeO2晶格的氟原子數(shù)量持續(xù)增多，晶格畸變程度不斷變大，便會逐漸出現(xiàn)LaOF。由此可知，隨著加入氟質(zhì)量的不斷增多，樣品中LaOF含量會隨之升高，發(fā)生固溶反應(yīng)的氟原子數(shù)量會越來越少，CeO2晶格變化程度就會越弱，晶粒數(shù)量也會逐漸減少。但是，當鑭原子固溶度突破最大值之后，持續(xù)加入氟，CeO2的晶格就會與其鑭形成四方結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大幅變化，晶粒大小也會越來越大。

3.3 加入氟的質(zhì)量對拋光粉形貌特征的影響

用掃描式電子顯微鏡對加入氟質(zhì)量不同時拋光粉的形貌特征進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)拋光粉顆粒大小會隨著氟的持續(xù)加入而減小，當樣品中沒有加入氟時，拋光粉顆粒呈球狀密集分布，粒徑大小大約為40μm，當樣品中加入氟的質(zhì)量分數(shù)為10%時，拋光粉顆粒呈絮狀且分布比較分散，粒徑大小已經(jīng)減小到2μm左右。拋光粉顆粒發(fā)生這種變化的原因可能為，氟元素與鑭原子結(jié)合之后從CeO2晶胞中析出生成LaOF，此時CeO2團聚難度變大，所以拋光粉的顆粒較小。

3.4 加入氟的質(zhì)量對拋光粉振實密度和松裝密度的影響

對拋光粉振實密度和松裝密度進行測定，可以發(fā)現(xiàn)加入不同質(zhì)量氟之后，拋光粉的振實密度和松裝密度都是不一樣的，其振實密度與松裝密度與加入氟的質(zhì)量都呈正比關(guān)系，會隨著氟質(zhì)量分數(shù)的升高而變大。在試驗進行過程中，由于不斷有HF氣體生成，拋光粉中的團聚細化晶粒數(shù)量越來越少，焙燒溫度也會逐漸降低，拋光粉更容易晶化，晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)將會更加完善，晶體結(jié)構(gòu)之間的縫隙越來越小，變得更加充實，所以此時拋光粉的振實密度和松裝密度就會變得較大。

3.5 加入氟的質(zhì)量對拋光玻璃表面光潔度的影響

通過對拋光玻璃表面光潔度進行觀察，發(fā)現(xiàn)當樣品中氟的質(zhì)量分數(shù)從0逐漸增加到4%時，玻璃表面的劃痕較少，但是會呈增多趨勢。當氟的質(zhì)量分數(shù)為6%時，為拋光粉的最佳拋光性能，但是此時玻璃表面比較粗糙，劃痕數(shù)量較多且比較密集，并且還分布有許多凹點。再繼續(xù)加入氟之后，劃痕數(shù)量和凹點數(shù)量繼續(xù)增加，且拋光性能出現(xiàn)小幅下降。造成拋光玻璃表面光潔度變差的原因是，氟加入量的增加生成大量LaOF，增大了拋光粉顆粒硬度，在玻璃表面留下劃痕和凹點。

4 總結(jié)

經(jīng)試驗可得，在使用氟化方式制備拋光粉時不會產(chǎn)生La2O3，CeO2的晶體結(jié)構(gòu)不會因鑭固溶而發(fā)生變化。當氟化反應(yīng)不完全時，只有CeO2固溶晶體和LaOF中含有氟元素。試樣中氟的質(zhì)量分數(shù)小于6%時，拋光粉晶化程度較小，拋光性能良好，在氟的質(zhì)量分數(shù)為6%時，達到最優(yōu)值，并且此時拋光玻璃表面比較光滑；當氟的質(zhì)量分數(shù)大于6%時，拋光粉晶化程度較大，會在拋光玻璃表面留下較多劃痕和凹點，拋光性能較差。