α氧化鋁晶型結(jié)構(gòu)影響因素分析

王 毅， 李東紅， 陳 瑋， 楊雙鳳， 張巖巖

(中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司， 河南 鄭州 450041)

α氧化鋁晶型結(jié)構(gòu)影響因素分析

王 毅， 李東紅， 陳 瑋， 楊雙鳳， 張巖巖

(中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司， 河南 鄭州 450041)

氫氧化鋁是制備α氧化鋁的重要原料。氫氧化鋁在高溫下經(jīng)過一系列物理化學(xué)變化，最終形成α氧化鋁。本文對氫氧化鋁原料和產(chǎn)品α氧化鋁進(jìn)行X-射線衍射和掃描電子顯微鏡分析，發(fā)現(xiàn)礦化劑和焙燒溫度影響著α氧化鋁晶體的微觀形貌，焙燒后α氧化鋁呈現(xiàn)蠕蟲狀結(jié)構(gòu)；α氧化鋁的含量與焙燒溫度有著重要關(guān)系；礦化劑改變了α氧化鋁的結(jié)晶機(jī)理。通過調(diào)整礦化劑，制備了類球狀的α氧化鋁，為研究和開發(fā)高性能產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

氫氧化鋁； α氧化鋁； 晶體結(jié)構(gòu)； 焙燒溫度； 礦化劑

0 引言

氧化鋁是地殼中含量特別大的礦物質(zhì)，很多學(xué)者研究了氧化鋁的晶型結(jié)構(gòu)，認(rèn)為氫氧化鋁在高溫焙燒轉(zhuǎn)變成α氧化鋁的過程中，過渡相只有γ，其余都是扭曲畸變的產(chǎn)物。目前普遍認(rèn)為，氧化鋁主要有α型和γ型兩種變體[1]。α氧化鋁晶型穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)致密，具有優(yōu)異的光學(xué)性能與高溫性能，廣泛用于結(jié)構(gòu)材料和光學(xué)材料，如激光器、光學(xué)傳感器等光學(xué)器件[2]和耐火磚、耐火澆注料等筑爐材料。α氧化鋁電導(dǎo)率低，具有良好的絕緣性能和介電性能，常用于集成電路基板[3]和YGA激光晶體。α氧化鋁還具有高硬度的特點，作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)相，廣泛應(yīng)用于材料領(lǐng)域[4-7]。晶體結(jié)構(gòu)對材料的性能有重要影響，目前對α氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)的研究還不多。

α氧化鋁一般用氫氧化鋁作原料，通過高溫焙燒而成。本文研究了氫氧化鋁的物相，分析了礦化劑和焙燒溫度對α氧化鋁顯微結(jié)構(gòu)的影響。氫氧化鋁焙燒以后由于脫水及相變的影響，α氧化鋁呈現(xiàn)出蠕蟲狀結(jié)構(gòu)。焙燒溫度影響晶粒的生長速度與大小。通過調(diào)整礦化劑，制備了類球狀的α氧化鋁，壓片后密度達(dá)到3.79 g/cm3，能夠滿足不同客戶需求。

1 試驗原料和方法

原料為氫氧化鋁，中鋁股份河南分公司生產(chǎn)，純度為99.6%。

試驗及檢測設(shè)備：馬弗爐,荷蘭產(chǎn)X-pert-PRO型X射線衍射分析儀，日本電子公司生產(chǎn)的JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡，電子天平。

將氫氧化鋁試樣進(jìn)行X-射線衍射分析，確定其物相。將氫氧化鋁原料進(jìn)行焙燒，焙燒后的物料取樣進(jìn)行X-射線衍射分析，確定合理的焙燒溫度，并進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析，確定其晶型結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 氫氧化鋁原料的物相

本試驗所用的氫氧化鋁由拜爾法生產(chǎn)。將氫氧化鋁做常溫XRD分析，X-射線衍射圖如圖1所示。

圖1 氫氧化鋁X-射線衍射圖

從圖1可以看出，氫氧化鋁主要由拜耳石(Bayrite)和三水鋁石(Gibbsite)組成，衍射峰很強(qiáng)，結(jié)晶的狀態(tài)比較好。

2.2 焙燒溫度對α氧化鋁晶體的影響

氫氧化鋁的焙燒溫度到達(dá)1 100～1 200 ℃時，主要發(fā)生α氧化鋁晶體成核過程，伴隨著中間過渡相生成；當(dāng)溫度達(dá)到1 200 ℃以上時，中間過渡相氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相α氧化鋁，晶體內(nèi)部原子更加有序且緊密排列，處于熱力學(xué)最穩(wěn)定狀態(tài)[8]。在這個階段主要完成α氧化鋁晶粒的生長過程，晶格不斷變得完整，排列規(guī)則有序，因此其衍射峰非常強(qiáng)。

圖2是α氧化鋁晶體生長的掃描電子顯微鏡照片，從圖中可以看出α氧化鋁的晶粒像很多蠕蟲相互纏繞在一起，這種情況下的焙燒溫度只有1 450 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于α氧化鋁的熔點(2 050 ℃左右)，固相傳質(zhì)是氧化鋁的生長以及發(fā)生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)遞的主要方式，多個細(xì)小的顆粒不斷接觸通過蒸汽壓和能量結(jié)合達(dá)到相互接觸與融合，呈現(xiàn)出蠕蟲狀顯微結(jié)構(gòu)[8]。

圖2 α氧化鋁晶體生長的掃描電子顯微鏡(SEM)照片

從圖3的X-射線衍射圖可以看出，當(dāng)溫度達(dá)到1 300 ℃以上，衍射峰特別強(qiáng)，結(jié)晶度良好,α氧化鋁相轉(zhuǎn)化率較高,含量達(dá)到86.4%。

圖3 氫氧化鋁原粉1 200～1 300 ℃焙燒后的X-射線衍射圖

對不同溫度下焙燒的氧化鋁進(jìn)行X-射線衍射分析，測定樣品中α氧化鋁含量，結(jié)果如表1所示。

表1 焙燒溫度與α氧化鋁含量關(guān)系

從表1可以看出，1 000 ℃下沒有α氧化鋁生成，1 100 ℃有少量α氧化鋁，溫度繼續(xù)上升達(dá)到1 200 ℃以上后，α氧化鋁含量增大，可見溫度是影響α氧化鋁生成的重要因素。

2.3 礦化劑對α氧化鋁顯微結(jié)構(gòu)的影響

在焙燒過程中加入礦化劑，礦化劑作用下的α氧化鋁的掃描電子顯微鏡照片如圖4所示，采用礦化劑可以獲得類球狀的α氧化鋁。

圖4 礦化劑作用下的α氧化鋁掃描電子顯微鏡(SEM)照片

在1 300 ℃下，礦化劑與氧化鋁反應(yīng)生成中間化合物，這類化合物相當(dāng)于增加體系的蒸汽壓，起到提高蒸汽壓的作用，此時氣相傳質(zhì)將起主導(dǎo)作用，對焙燒產(chǎn)物的顯微結(jié)構(gòu)與體系能量會產(chǎn)生重要影響，克服成核勢壘，加速原晶蠕蟲狀聚合形式的分離，并使之球狀化，促進(jìn)原晶生長。α氧化鋁結(jié)構(gòu)致密，壓片后密度達(dá)到3.79 g/cm3。該溫度下礦化劑的添加量與α氧化鋁含量的關(guān)系如表2所示。

表2 礦化劑添加量與α氧化鋁含量關(guān)系

3 結(jié)語

氫氧化鋁是制備α氧化鋁的重要原料。氫氧化鋁在高溫下經(jīng)過一系列物理化學(xué)變化，最終形成α氧化鋁。通過對氫氧化鋁原料進(jìn)行物相分析和對α氧化鋁進(jìn)行X-射線衍射和掃描電子顯微鏡分析，發(fā)現(xiàn)礦化劑和焙燒溫度影響α氧化鋁的晶型結(jié)構(gòu)，焙燒后α氧化鋁顆粒呈現(xiàn)蠕蟲狀結(jié)構(gòu)；溫度主要影響晶粒的生長速度；通過調(diào)整礦化劑，制備了類球狀的α氧化鋁，其真密度達(dá)到3.79 g/cm3，為開發(fā)高附加值的新產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)，能夠滿足不同客戶的需求。

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Influencingfactorsofalphaalumina’scrystalstructure

WANG Yi, LI Dong-hong, CHEN Wei, YANG Shuang-feng, ZHANG Yan-yan

Aluminum hydroxide is an important raw material for the preparation of alpha alumina. After a series of physical and chemical changes and phase changes, aluminum hydroxide forms alpha alumina at high temperature. Morphology characterization SEM and XRD research of aluminum hydroxide raw material and alpha alumina are carried out. It is found that mineralizer and roasting temperature can affect the morphology of alpha alumina. After the roasting, alpha alumina shows worm-like structure. The contents of alpha alumina is closed related with the roasting temperature. Mineralizer changes the crystallization mechanism of alpha alumina. By adjusting the mineralizer, near-spherical alpha alumina is prepared, which lays solid foundation for developing various high-performance products.

aluminum hydroxide; alpha alumina; crystal structure; roasting temperature; mineralizer

TQ133.1

B

1672-6103(2017)06-0072-03

王 毅(1984—)， 男， 河南洛陽人， 碩士研究生， 工程師， 主要從事氧化鋁粉體制備、 凝聚態(tài)物理研究工作。

2017-03-28