超細(xì)α- Al2O3粉體的制備

楊 聰，謝佩韋

超細(xì)α- Al2O3粉體的制備

楊 聰，謝佩韋

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文通過在化學(xué)沉淀法的過程中加入納米α-Al2O3晶種來制備超細(xì)α-Al2O3粉體，并用X射線衍射（XRD）和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)制得的樣品進(jìn)行分析。結(jié)果表明，納米α-Al2O3晶種的加入，可以有效降低α-Al2O3晶相的轉(zhuǎn)化溫度，減少了α-Al2O3粉體在高溫煅燒過程中的熔融團(tuán)聚現(xiàn)象，最終制得超細(xì)α-Al2O3粉體。

α-Al2O3化學(xué)沉淀法 納米α-Al2O3晶種 晶相轉(zhuǎn)變

0 引言

氧化鋁材料的機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫、耐腐蝕性能優(yōu)異，絕緣性能好[1]，在陶瓷、耐火材料、絕緣材料、化學(xué)化工、機(jī)械等方面都有著很多的應(yīng)用，因此氧化鋁材料也是所有陶瓷材料中產(chǎn)量最大的一種[2]。

氧化鋁的相態(tài)非常豐富，高達(dá)十幾種，常見的晶型有α-Al2O3、γ-Al2O3、η-Al2O3、δ-Al2O3、θ-Al2O3、χ-Al2O3、κ-Al2O3[3]。其中只有α-Al2O3是熱穩(wěn)定晶型，在溫度升高過程中，其他非熱穩(wěn)定的過渡晶型都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊岱€(wěn)定的α-Al2O3。合成α-Al2O3最常用的是化學(xué)沉淀法，即在金屬鹽溶液中加入適量沉淀劑生成前驅(qū)體沉淀，過濾洗滌后對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行高溫處理得到產(chǎn)物α-Al2O3。但這個(gè)過程中的α-Al2O3相轉(zhuǎn)變溫度很高，一般在1200~1400℃。在1200℃的高溫下，固體顆粒之間很容易燒結(jié)團(tuán)聚，因此得到的α-Al2O3粉體一般粒徑較大。想要獲得超細(xì)α-Al2O3粉體，降低α-Al2O3的相變溫度是其中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 α-Al2O3的合成方法

1）配置0.1 mol/L的Al(NO3)3溶液，加入0.5 g PEG（PEG400:PEG1000=1: 1），機(jī)械攪拌半個(gè)小時(shí)使PEG分散劑完全溶于硝酸鋁溶液中，再向上述混合溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%（按最終α-Al2O3質(zhì)量計(jì)算）粒徑為50 nm的α-Al2O3晶種，繼續(xù)攪拌使晶種充分分散于溶液中；

2）邊攪拌邊向上述混合溶液中滴定3 mol/L的氨水溶液，滴定速度為2 mL/min，當(dāng)體系PH=9時(shí)，停止滴定，得到白色懸濁液，繼續(xù)攪拌12 h后停止，陳化12 h；

3）將白色懸濁液過濾洗滌并在烘箱中干燥，研缽中研磨得到氧化鋁前驅(qū)體拜耳石α-Al(OH)3。在不同溫度下煅燒，得到最終產(chǎn)物。

4）本文中另一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中未加入α-Al2O3晶種，其他實(shí)驗(yàn)步驟相同。

1.2 實(shí)驗(yàn)表征

使用Nova NanoSEM 450型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析α-Al2O3樣品的形貌和尺寸，因制備得到的樣品導(dǎo)電性能差，故預(yù)先對(duì)樣品表面進(jìn)行了噴Pt處理。

采用Rigaku D/Max-2400型X射線衍射儀測(cè)試α-Al2O3樣品的X射線衍射圖譜，采用連續(xù)掃描方式，掃描范圍為10~90°。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 α-Al2O3晶種對(duì)產(chǎn)物晶相轉(zhuǎn)變溫度的影響

圖1 化學(xué)沉淀法制備得到的氧化鋁前驅(qū)體α-Al(OH)3在各溫度鍛燒得到的鍛燒產(chǎn)物的XRD圖譜。

圖1（A）是未添加氧化鋁晶種制得的α-Al(OH)3在圖中各個(gè)溫度下鍛燒3小時(shí)后得到的鍛燒產(chǎn)物的XRD譜。從XRD譜可以看出，拜耳石經(jīng)300℃鍛燒后，α-Al(OH)3的衍射峰完全消失，僅有γ-AlOOH和γ-A12O3的特征衍射峰存在。700℃鍛燒后，γ-AlOOH晶相的衍射峰消失，在2θ=37.20°、45.60°及66.90°位置出現(xiàn)了新的衍射峰，對(duì)應(yīng)于γ-A12O3的(311)、(400)及(440)晶面。900℃鍛燒后，衍射譜上除了γ-A12O3晶相的衍射峰，還在2θ=31.20°、32.55°、36.62°及44.73°位置出現(xiàn)了幾個(gè)新的衍射峰，對(duì)應(yīng)于單斜θ-A12O3的(004)、(200)及(111)晶面。同時(shí)在34.73°的位置出現(xiàn)了α-A12O3的特征衍射峰。1000℃鍛燒，產(chǎn)物的晶型沒有很大的改變，θ-A12O3的衍射峰強(qiáng)度有所增強(qiáng)。1100℃鍛燒后，衍射譜上的θ-A12O3晶相的衍射峰更為明顯，同時(shí)還在2θ=25.53°、34.76°、43.30°、52.49°、57.46°、66.47°及68.17°位置出現(xiàn)α-A12O3的特征衍射峰。在經(jīng)1200℃鍛燒后，僅α-A12O3晶相存在。由圖（A）可知，α-Al(OH)3在鍛燒時(shí)經(jīng)α-Al(OH)3→γ-AlOOH→γ-A12O3→θ-A12O3→α-A12O3晶型轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)化為α-A12O3；α-A12O3晶相的轉(zhuǎn)變開始和完成溫度分別約為900℃和1200℃。

圖2(B)是添加了氧化鋁晶種制得的α-Al(OH)3在圖中各個(gè)溫度下鍛燒3小時(shí)后得到的鍛燒產(chǎn)物的XRD譜圖。從XRD譜圖上可以看出，室溫下，未經(jīng)煅燒就已出現(xiàn)了γ-AlOOH晶相的衍射峰，經(jīng)300℃鍛燒后，α-Al(OH)3的衍射峰完全消失，主要是γ-AlOOH的特征衍射峰存在，2θ=65.90°處出現(xiàn)了γ-A12O3的特征衍射峰。經(jīng)500 ℃鍛燒后，γ-AlOOH晶相的衍射峰完全消失，衍射譜上只存在γ-A12O3的特征衍射峰。經(jīng)700℃鍛燒后，γ-A12O3晶相的衍射峰完全消失，在2θ=31.49°、32.83°、36.75°及76.35°等位置出現(xiàn)θ-A12O3晶相的衍射峰。隨鍛燒溫度進(jìn)一步升高到900℃,θ-A12O3衍射峰的衍射強(qiáng)度幾乎沒有變化，而在2θ=25.60°、35.17°、37.78°、43.34°、52.56°、57.50°、66.51°及68.21°位置出現(xiàn)α-A12O3的特征衍射峰。在1050℃鍛燒后，僅α-A12O3相存在。α-A12O3相的轉(zhuǎn)變開始和完成溫度分別約為900℃和1050℃。

2.2 α-Al2O3對(duì)產(chǎn)物形貌粒徑的影響

圖2是未添加氧化鋁晶種與添加氧化鋁晶種高溫煅燒前后的SEM圖像。(A)未添加氧化鋁晶種的α-Al(OH)3；(B)添加了氧化鋁晶種的α-Al(OH)3；(A)(B)圖為通過化學(xué)沉淀法在未添加氧化鋁晶種與添加氧化鋁晶種兩種情況下分別制得的α-Al(OH)3納米顆粒的SEM圖像，兩種方法制得的顆粒均呈不規(guī)則形狀，有部分團(tuán)聚。使用粒徑分析軟件初步計(jì)算得到這兩種α-Al(OH)3納米顆粒的平均粒徑均為100 nm左右。將未添加氧化鋁晶種制得的α-Al(OH)3納米顆粒在1200℃煅燒，得到如圖（C）的α-A12O3粉體，可以看到，未添加氧化鋁晶種的α-Al(OH)3納米顆粒在經(jīng)過高溫煅燒之后，形成粒徑大小為1-4 μm的塊狀顆粒；而添加氧化鋁晶種制得的α-Al(OH)3納米顆粒在1050℃煅燒，得到如圖（D）的α-A12O3粉體顆粒的分散性較好，未見燒結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象，使用粒徑分析軟件計(jì)算得到粒徑分布在70-520 nm之間，平均粒徑為180 nm。

圖2 SEM圖像

3 結(jié)論

本文通過在化學(xué)沉淀法過程中添加納米α-A12O3晶種來制備超細(xì)α-A12O3粉體，分析了納米α-A12O3晶種的添加對(duì)氧化鋁前驅(qū)體及最終產(chǎn)物α-A12O3粉體的影響。結(jié)論如下：

1）納米α-A12O3晶種的添加對(duì)氧化鋁前驅(qū)體α-Al(OH)3的微觀形貌無明顯影響；

2）未添加晶種時(shí)，α-A12O3晶相的轉(zhuǎn)變開始和完成溫度分別為900℃和1200℃，添加α-A12O3晶種后，α-A12O3晶相的轉(zhuǎn)變開始和完成溫度分別為900℃和1050℃。納米α-A12O3晶種的添加有效降低了α-A12O3晶相的轉(zhuǎn)變開始和完成溫度。

3）α-A12O3晶相轉(zhuǎn)變溫度的降低，減少了燒結(jié)過程中固體粉體的高溫團(tuán)聚現(xiàn)象，從而制備得到平均粒徑為180 nm的超細(xì)α-A12O3粉體。

[1] 朱志斌, 郭志軍, 劉英等. 氧化鋁陶瓷的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 陶瓷, 2003(1): 5-8.

[2] 王麗萍, 郭昭華, 池君洲等. 氧化鋁多用途開發(fā)研究進(jìn)展[J]. 無機(jī)鹽工業(yè), 2015, 47(6): 11.

[3] 吳玉程, 宋振亞, 楊曄等. 氧化鋁α相變及其相變控制的研究[J]. 稀有金屬, 2004, 28(6): 1043-1048.

Effects of Dosage of Disperser on Synthesis of α-Al(OH)3

Yang Cong, Xie Peiwei

（Wuhan Research of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

The ultrafine α-AlO powder is prepared by adding nano α-AlO crystals in the process of chemical sedimentation. X-ray diffraction(XRD) and field emission scanning electron microscope(SEM) are used to analyse the samples. The results show that the transformation temperature of α-AlO crystalline phase is obviously decreased by adding nano α-AlO crystals, and the melting agglomeration of α-AlOpowder is reduced during high temperature calcination. Finally the ultrafine α-AlO powder is prepared.

α-AlO; nano α-AlO seed crystal; isolation phase transformation

TQ133

A

1003-4862（2019）09-0028-03

2018-04-19

楊聰（1992-），男，工程師。研究方向：化學(xué)電源技術(shù)。E-mail: yangcong416526286@qq.com