纳米氧化铝的研究

纳米氧化铝的研究及应用

[摘要]

纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术，纳米科学与技术将对其他学科、产业和社会产生深远的影响。文章概述了纳米氧化铝的结构、性能、用途、制备等方面，更深入地了解了纳米氧化铝材料，并展望了纳米氧化铝材料的应用前景。

[关键字]

纳米氧化铝结构性能用途制备方法

[前言]

近年来, 纳米氧化铝材料备受到人们普遍关注,其广阔的应用前景引起了世界各国科技界和产业界的高度关注，因此作为21世纪具有发展前途的功能材料和结构材料之一，纳米氧化铝材料一直都是纳米材料研究领域的热点。

1 纳米氧化铝的结构与性质

Al2O3有很多同质异晶体，常见的有三种，即：α- Al2O3、β- Al2O3、γ- Al2O3。除β- Al2O3是含钠离子的Na2O-11Al2O3外,其他几种都是Al2O3的变体。β- Al2O3、γ- Al2O3晶型在1000~1600℃条件下，几乎全部转变为α- Al2O3。

①α-Al2O3

α- Al2O3为自然界中唯一存在的晶型，俗称刚玉。天然刚玉一般都含有微量元素杂质，主要有铬、钛等因而带有不同颜色。刚玉的晶体形态常呈桶状、柱状或板状，晶形大都完整，具玻璃光泽。α- Al2O3

属六方晶系，氧离子近似于六方密堆排列，即ABAB˖˖˖二层重复型。在每一晶胞中有4个铝离子进入空隙，下图为α- Al2O3结构中铝离子填入氧离子紧密堆积所形成的八面体间隙。

由于具有较高的熔点、优良的耐热性和耐

磨性，α- Al2O3被广泛的应用在结构与功

能陶瓷中。

②β- Al2O3

β- Al2O3是一种含量很高的多铝酸盐矿物，它不是一种纯的氧化铝，其化学组成可近似用MeO-6 Al2O3和Me2O-11Al2O3表示（MeO 指CaO、BaO、SrO等碱土金属氧化物；Me2O指的是Na2O、K2O、Li2O）。β- Al2O3(Me2O-11Al2O3)由[NaO]-层和[Al11O12]+类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方密堆积，钠离子完全包含在[Na0]-层平面内，并且可以很快扩散。适当条件下，它具有很高的离子电导率，因而被广泛地应用于电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起博器的生产中。

③γ- Al2O3

γ- Al2O3是最常见的过渡型氧化铝，属立方晶系，为尖晶石结构，在自然界中是不存在的物质。由氧离子形成立方密堆积，Al3+填充在间隙中。γ- Al2O3得密度为3.42～3.62g/ cm3，在1000℃时可以缓慢的转变为α- Al2O3，是水铝矿（Al2O3⋅H2O或Al2O3⋅3H2O）或氢氧化铝在加热中生成的过渡氧化铝物质。γ相粒子主要用途是作为催化剂的载体，目前多采用在γ相中添加稀土元素等微量元素来改善它的表面

能，进而有效地抑制相变和烧结的发生，从而提高了材料比表面的稳定性能。

2 纳米氧化铝的性能

纳米氧化铝的性能主要包括力学性能，高温性能，耐磨性能，耐蚀性能等性能。

①力学性能，主要指弹性、塑性、拉伸（强度）、耐冲击性（韧性）性能，抗疲劳性，抗热震性，强度-重量比；

②高温性能，主要指耐高温，耐氧化，耐腐蚀，微观结构和组成（易挥发，反应，相变等）的力学性能;

③耐磨性能，指材料抵抗其他材料磨损的能力；

④耐腐蚀，材料防腐拒变的能力。特定的机械性能，高性能，高电阻率，硬度高，熔点高，化学稳定性优良的耐腐蚀性，离子导电性的光学性质也常用于电池材料和氧化铝陶瓷表面金属化，等一系列综合性能。

3 纳米氧化铝的用途

氧化铝陶瓷由于其优越的高温强度、稳定的化学性能、良好的耐磨性，已经成为先进结构的首选材料之一，目前，氧化铝陶瓷广泛应用在电子电力、汽车工业、化学工业、和航空航天领域。

纳米氧化铝在如下领域中均有广泛的应用:

①作为新型复合材料及医用材料，纳米Al2O3作为弥散强化剂和添加剂的使用，如铸铁，研磨工具，当纳米氧化铝粉作为添加剂，耐

磨性可以提高数倍以上。纳米氧化铝作为新型医药新材料，已用于生产承重骨骼，牙齿植入，药物输送载体等，还成功地进行了牙槽嵴扩张，重建颌面骨缺损，面部及骨科修复等。

②作为光学材料和表面材料的防护层，纳米氧化铝可以吸收紫外线，和特定波长的光激发可以产生一个粒子大小的波长的光波。α- Al2O3可烧结成透明陶瓷，作为高压钠灯管材料;可以作为紧凑型荧光灯荧光粉保护涂料层；还可作为稀土荧光粉荧光灯管轻质复合材料，提高了灯的质量和寿命。

③作为催化剂及其载体，纳米氧化铝的催化功能是其新用途中极为重要的一种。纳米级粉体其比表面很大，因而颗粒表面有丰富的失配键和欠氧键，压成薄片时内含丰富的孔洞，可以制成表面活性很高的多孔薄膜，以此制成的催化剂及催化剂载体的性能比目前使用的同类产品性能优越数倍以上。

④作为半导体材料，纳米级氧化铝粉末对湿度极为敏感，在温度传感器上有着极高的应用价值，具有良好的电绝缘性、化学耐久性、耐热性，抗辐射能力强，介电常数高，表面平整均匀，成本低，可用于半导体器件和大规模集成电路的衬底材料，从而广泛应用于微电子、电子和信息产业。

⑤在航空和机械方面的应用，氧化铝纤维及其复合材料是高性能的防热绝热材料，可用作航天飞机的热防护、火箭发动机喷管的喉部衬垫、火箭发动机内衬和尾部喷管的绝热材料。在机械方面，可用于球磨体、粉碎机等粉碎装置内的易损件，利用其耐磨、表面光滑度及

耐腐蚀性，制成机械密封及工业中阀门、流量计、喷射头等，联邦德国汽车厂使用的刀具中，40%为氧化铝陶瓷刀具。

4 纳米氧化铝粉体的制备

①水热法

水热法是在水溶液或蒸汽和其它流体反应后，分离和热处理纳米粉体产品的目的，在高温和压力的水热反应，反应温度一般为100〜400℃，0.1MPa的压力数百兆帕。因为在相对较高的压力和温度的水热反应，产品结晶未经焙烧，可以减少焙烧过程是难以避免的集聚的，但对设备的要求更严格。

②沉淀法

沉淀法是在溶液中加入适当的沉淀剂，得到陶瓷前驱体沉淀，然后经过滤，洗涤，干燥，煅烧等工艺，得到纳米陶瓷粉末。选择将不同的沉淀纳米粉体与不同粒径的Al(NO3)3为原料，(NH4)2CO3作为沉淀剂，得到粒径40〜50nm的氧化铝。沉淀法操作简单，流程短，成本低，但制备工艺的影响因素多，如解决方案的组成，浓度，温度和时间，并难以形成分散的颗粒。

③溶胶凝胶法

溶胶-凝胶法是目前应用在氧化物纳米粉体的制备，作为一个湿化学合成的方法，具有设备简单，工艺容易控制，而且成本低。溶胶-凝胶法制备纳米氧化铝粉末溶解在溶剂中的易制毒化学的基本原则，在一定温度下，经水解和缩聚过程中的水的酸度反应，形成均匀，稳定的溶胶，然后经过渡后凝胶，在凝胶真空低温干燥，超细粉末，