高能球磨氧化鋁的微觀結(jié)構(gòu)和紅外光譜分析

劉　銀　張明旭

(安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

摘 要：研究了不同球磨時間氧化鋁粉料的微觀結(jié)構(gòu)變化和紅外 光譜，結(jié)果表明：隨著球磨時間增加，氧化鋁顆粒逐漸細(xì)化。球磨10 h，其顆 粒大小約為2 μm左右。球磨氧化鋁的特征紅外吸收光譜表現(xiàn)出明顯寬化現(xiàn)象， 這歸因于氧化鋁顆粒尺寸減小，增大的比表面積導(dǎo)致了Al3+平均配位數(shù)下降，不飽 和鍵和懸鍵增多。

關(guān)鍵詞：氧化鋁；球磨；微觀結(jié)構(gòu)；紅外光譜

Microstructure and Infrared Spectroscopic Analysis of

Alumina Prepared by High Energy Ball Milling

LIU Yin，ZHANG Ming-xu

(School of Materials Science and Engineering, Anhui University of Sci ence and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: Microstructure and infrared spectra of alumina of diffe rent milling time were investigated. The results show that the grain size of alu mina decreases with

increase of milling time. After 15 h of milling

the grain size of alumina is around 2 μm. The characteristic infrare d absorption spectroscopy of milled alumina becomes broader, this ascribed to de crease of the particle diameter and increase of atom number on the surface, whic h lead to the decrease of Al3+ ions coordination numbers and the increa se of unsaturated bonds.

Key words: alumina; ball milling; microstructure; infrared s pectroscopy

氧化鋁粉體是一種極為重要的工業(yè)原料，在電子、機(jī)械、化工等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用［1 ］。生產(chǎn)過程中為了促進(jìn)氧化鋁顆粒細(xì)化、分散，增加其反應(yīng)燒結(jié)活性，常常通過機(jī)械球 磨方法來實現(xiàn)。近年來，人們用X-射線衍射分析、電子顯微鏡分析、熱分析技術(shù)等對球磨氧 化鋁的物相、 微結(jié)構(gòu)、 相轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行了詳細(xì)研究［2-4］，這些結(jié)果對我們進(jìn)一 步研究其物理化學(xué)性質(zhì)和拓展其應(yīng)用有很大幫助。 紅外光譜法是一種十分簡單且應(yīng)用廣泛 的分析技術(shù)， 可以有效地鑒定官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和化合物。 然而文獻(xiàn)中很少有通過紅外光譜儀研 究球磨氧化鋁的微結(jié)構(gòu)演變。 因此， 本文采用行星磨對氧化鋁粉料球磨不同時間， 研究 了不同條件下氧化鋁的微結(jié)構(gòu)和紅外吸收光譜。

1 實驗

分析純氧化鋁（主晶相為α-Al2O3）按一定料球比和無水酒精一起放入氧化鋁球磨罐中 ，通過ND6-4L型行星式高能球磨機(jī)，以200 r/min分別球磨0 h 、 5 h、10 h、15 h。球磨氧化鋁漿料80 ℃ 干燥24 h，然后研磨并過200目篩。

用X線衍射分析儀（XRD）對球磨氧化鋁進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析；用掃描電鏡觀察其微觀形貌；采 用重力（離心力）沉淀和光測法原理，通過NSKC-2型分段式寬域粒度分析儀分析球磨氧化 鋁的粒度及其分布；用德國BRUKER公司生產(chǎn)的Vector33型紅外光譜分析儀測定試樣的紅外吸 收光譜（IR），掃描范圍為4 000 ~ 400 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 球磨氧化鋁的微結(jié)構(gòu)ネ1為不同球磨時間氧化鋁的X-射線衍射圖譜（XRD）。由圖1可見氧化鋁為純α相（剛玉） ，未見其它物相存在。隨著球磨時間由0 h延長至15 h，樣品的組 成并未發(fā)生改變，但氧化鋁的衍射峰隨時間而逐漸寬化，相對強(qiáng)度降低，這意味著氧化鋁顆 粒尺寸隨著球磨時間逐漸減小。

圖2為球磨氧化鋁的掃描電鏡（SEM）照片。由圖2可知：未球磨氧化鋁的表面粗糙，顆粒粗 大；球磨15 h后，顆粒變得細(xì)小光滑，呈現(xiàn)出絮狀團(tuán)聚體。這是由于研磨介質(zhì) 的機(jī)械碰撞、擠壓、研磨作用，脆性的粗大氧化鋁顆粒容易斷裂細(xì)化。同時，大量機(jī)械能轉(zhuǎn) 化成為氧化鋁顆粒表面化學(xué)能，貯存于顆粒表面，因此，氧化鋁顆粒表現(xiàn)出很強(qiáng)的表面效應(yīng) ，容易團(tuán)聚成一些松散假顆粒［5］。圖1 不同球磨時間氧化鋁的X-射線衍射圖譜圖2 球磨氧化鋁SEM照片

表1為不同球磨時間氧化鋁的粒度分析結(jié)果。由表1可知，氧化鋁的初始粒度約為3.58 μm。隨著球磨時間延長，氧化鋁顆粒的粒徑逐漸減小，當(dāng)球磨10 h時， 其顆粒平均粒徑獶50減小為1.77 μm。隨著球磨時間進(jìn)一步延長到15

h，氧化鋁顆粒尺寸略有增加。這是由于氧化鋁顆粒粉碎后，晶粒尺寸減小， 比表面積增大，由于表面能增大，顆粒之間的物理作用力增加，凝聚力加強(qiáng)，氧化鋁顆粒之 間又會團(tuán)聚，平均粒徑略有增大，這說明過多延長球磨時間并不有利于氧化鋁顆粒的細(xì)化， 而且過度延長球磨時間耗能也較大，因此，在球磨過程中，選擇合適的球磨時間對氧化鋁的 粒度及其分布有著十分重要的影響。

紅外吸收光譜ゲ煌球磨時間氧化鋁的紅外吸收光譜如圖3所示。由圖3可以看出：在1 000~400 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)，不同球磨時間的氧化鋁均有兩個明顯吸收帶，這對應(yīng)氧化鋁特征 吸收帶［6］；在未球磨氧化鋁的紅外光譜中，包含了4個特征吸收峰（P1~P4） ，其位置分別為430 cm-1、458 cm-1、493 cm-1、550~820 cm-1。隨著球磨時間增加，氧化鋁的紅外吸收 光譜表現(xiàn)出明顯的寬化現(xiàn)象。而且，未球磨氧化鋁對應(yīng)430 cm-1、493

cm-1位置的特征吸收峰逐漸消失，與458 cm-1位置的 特征峰重合。球磨15 h，氧化鋁只有458 cm-1、550~820 cm-1兩位置的紅外吸收特征峰。這是因為氧化鋁顆粒尺寸隨著球磨時間而 逐漸減小。增大的比表面積導(dǎo)致了Al3+平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多 ［ 7］。與粗晶氧化鋁不同，球磨氧化鋁紅外光譜中沒有一個單一的、擇優(yōu)的鍵振動模，而 僅僅存在一個較寬的鍵振動模分布［8-9］。在紅外光場作用下，它們對紅外吸收 的頻率也就存在一個寬的分布，因此，球磨氧化鋁特征紅外吸收光譜表現(xiàn)出明顯寬化現(xiàn)象。

σ/cm-1

圖3 不同球磨時間氧化鋁的紅外光譜圖[LL]3 結(jié)論

通過高能球磨，氧化鋁的顆粒尺寸逐漸減小，球磨10 h，其顆粒尺寸達(dá)到2 μm左右。隨著球磨時間延長，氧化鋁的紅外特征光譜逐漸寬化，由未球磨的430

cm-1、458 cm-1、493 cm-1、550 ~820 cm-1 4個紅外特征吸收峰，逐漸演化成為458 cm- 1、550~820 cm-1兩個紅外吸收特征峰。

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(責(zé)任編輯：李 麗)