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资讯内涵

    氧化铈的结构和物理化学性能

        氧化铈是平面抛光机上所用的抛光液成分中最首要的化学物质之一。氧化铈抛光液的使用给抛光效果带来一定程度的改进,这得益于氧化铈的物理性能和分子结构。故氧化铈的性能和结构成了重点研究项目。
        Ce 的氧化物有 3 种: 具有 CaF2结构的 CeO2、六方 Ce2O3和立方 Ce2O3。在氧贫乏的条件下,形成带有氧空位的 Ce2O3。室温下,六方 Ce2O3晶体在空气中不稳定,而在无氧条件下则是稳定的。立方 Ce2O3通常被认为具有 CeO2晶体结构,但晶格中存在井井有条的氧空位。纯化学计量比 CeO2在从室温到熔点的温度范围内具有面心立方晶格结构( 萤石型) ,Ce 原子占据面心立方结构的 8 个顶点和 6 个面的中心,O 原子则处于 Ce 原子构成的四面体间隙之中,其空间群为 Fm3。由于 Ce( Ⅳ) -O( -Ⅱ) 电子迁移,纯氧化铈呈浅黄色。纯化学计量比 CeO2具有熔点高( 2750 K) 、密度大( 7.22 g·cm-3) 、晶格点阵的能量高等特点,同时由于立方晶系物质比单斜晶系的物质( 如氧化铁、氧化锆等) 对玻璃的擦刮力大,所以其抛光能力强于氧化锆和氧化铁抛光粉。事实上,CeO2颗粒的硬度并不高。如表 1 所示,氧化铈的硬度远低于金刚石、氧化铝,也低于氧化锆和氧化硅,与三氧化二铁相当。因此,仅从机械方面来看,以低硬度的氧化铈去抛光基于氧化硅的材料,如硅酸盐玻璃、石英玻璃等,是不具有技术可行性的。但是,氧化铈是此刻抛光基于氧化硅材料甚至氮化硅材料的首选抛光粉。可见,氧化铈抛光还具有平面抛光机作用之外的其他作用,这在下文中将详细讨论。在 CeO2晶格中通常会出现氧空位,使得其理化性能产生变化,并对抛光性能产生一定的影响。常用的氧化铈抛光粉中均含有一定量的其他稀土氧化物。氧化镨( Pr6O11) 也为面心立方晶格结构,可适用于抛光; 而其他镧系稀土氧化物没有抛光能力,它们可在不改变 CeO2晶体结构的条件下,在一定范围内与之形成固溶体。对高铈抛光粉而言,氧化铈的纯度( 品位) 越高,抛光能力越大,使用寿命也增加,特别是硬质玻璃和石英光学镜头等长时间循环抛光时,以使用高品位的氧化铈抛光粉为宜; 低铈抛光粉一般含有 50% 左右的CeO2,成本低,初始抛光能力与高铈抛光粉比几乎没有两样,但使用寿命难免要比高铈抛光粉低。抛光粉颗粒大小,即粒度是影响其抛光性能的关键参数之一。在描述颗粒尺寸时,重要的参数包括根本( primary) 颗粒尺寸、聚集体( aggregate)颗粒尺寸和团聚体( agglomerate) 颗粒尺寸。聚集体是指在材料制备过程中形成的颗粒间网络,团聚体则是在颗粒与液体混合制备料浆过程中形成的,团聚体尺寸很大程度上取决于料浆化学和流体动力学条件。
       此刻各厂商通常以激光粒度法暗示抛光粉粒度,这是一种间接的、统计的方法。但由于仪器差异、前处理、操纵者差异对测量结果影响极大,存在较大局限性,测量结果反映的是聚集体或团聚体尺寸,而不是根本颗粒尺寸。而采用透射电镜( TEM) 方法,可直接剖析和测量抛光粉颗粒的尺寸,并可获得抛光粉颗粒的形貌特征和晶体结构特征,后者对抛光粉的性能也有很大的影响。当然,这种方法的统计意义稍差。与激光粒度法相比,透射电镜法在表征亚微米和纳米氧化铈抛光粉颗粒尺寸和特征方面具有明显优势。如图 1 为编辑研究的两种氧化铈抛光粉的透射电镜( TEM) 图像,观测前氧化铈抛光粉均在水介质中国足球协会超级联赛声分散 6 min。由图可见,抛光粉颗粒形状规则,多数具有钝化的角,颗粒尺寸约为100 ~ 200 nm,且尺寸较均匀; 而抛光粉形状较不规则,边缘不明锐,有一定数量絮状物和尖锐角存在,颗粒尺约为 100 ~200 nm。而这两种抛光粉的标称尺寸分别为 0. 8 和 1 ~2 μm。这两种抛光粉的抛光性能将在下文实行比较。有关氧化铈在酸、碱溶液中的溶解性问题,存在一定的分歧。但普遍认为,经过煅烧的纯CeO2难溶于酸; 如果在硝酸中加入少量的F-离子及过氧化氢或者在盐酸中加入盐酸羟胺,或加入含硫酸铵的热浓硫酸,则可督促 CeO2溶解,得到3价铈的溶液; 但未经煅烧或非纯化学计量比的氧化铈可局部溶于酸或某些盐溶液中。
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