镁铝尖晶石的制备方法研究

镁铝尖晶石的制备方法研究
镁铝尖晶石因具有优异的化学、光学、热力学性质而倍受学术界及工业部门关注。

本文介绍了镁铝尖晶石的制备方法，比较了它们之间的优缺点及适用范围。

标签：镁铝尖晶石；固相反应法；湿化学法
镁铝尖晶石为标准型AB2O4构造，Mg2+置于四面体中，Al3+置于八面体中，其具有高熔点
（2135℃）、高硬度（莫氏硬度为8）、高强度（常温，135-216MPa；1300℃，120-205MPa）、高电阻率、宽的能量带隙、热膨胀系数小（30-1400℃，9×10-6℃-1）、密度较低（3.58g/cm3）、抗腐蚀及热震性能好等优异性能，所以镁铝尖晶石在窗口材料、绝缘材料、耐磨材料及耐火材料中得到广泛应用。

目前，制备镁铝尖晶石的方法主要是固相反应法和湿化学法。

一、固相反应法
（一）烧结法
批量制备镁铝尖晶石最常用的方法是含有Mg、Al前驱体的传统的固相烧结法，具体有它们的氧化物、氢氧化物以及碳酸盐类等。

以方镁石和刚玉为原料来制备镁铝尖晶石，其反应机理是在较高的温度（>1400℃）下，阳离子Mg2+和Al3+之间的相互扩散，但是固相烧结法生成的镁铝尖晶石会产生8%的体积膨胀，此膨胀相当于2.6%的线性膨胀，阻碍了镁铝尖晶石的烧结。

通常情况下，在工业生产中采用二步煅烧法来控制镁铝尖晶石的体积膨胀，以获得致密的镁铝尖晶石颗粒。

因为二步煅烧法包含两段烧制周期，所以固相烧结法制备镁铝尖晶石会增加成本。

于是，大量学者致力于研究镁铝尖晶石的体积膨胀机理以及降低镁铝尖晶石的生产成本。

（二）电熔法
电熔镁铝尖晶石是以氧化铝粉和高纯轻烧氧化镁粉为主要原料，在电弧炉内经2000℃以上高温熔炼而成。

电熔法制备的镁铝尖晶石纯度很高，因为此方法生产过程中温度很高，使得原料中的杂质挥发。

然而，电熔法能源消耗量大，所以对于一些电力昂贵的国家的企业此方法是不可行的。

（三）熔盐合成法
熔盐合成法是新型的镁铝尖晶石的合成方法，其采用低熔点的盐熔体作为反应介质，利用反应物在熔盐中的溶解，将某些通常情况下的固相反应变为液相之间的反应，从而有利于反应物的传质和扩散，最终达到降低反应温度和提高反应速率的效果。

此外，由于熔盐所提供的特殊液相环境有利于晶体的生长，使得反
应产物为特殊可控制的微观形貌，并且在反应过程中熔盐贯穿于产物颗粒之间可以有效阻止颗粒之间的团聚。

以上优点使熔盐合成法在材料合成与制备领域拥有广泛的应用价值和广阔的应用前景。

（四）机械合金法
机械合金法又称为机械化学合成法，其目的是通过降低成本来制备粉体。

前人使用机械合金法以Al（OH）3，Mg（OH）2或者MgCO3为原料来合成的镁铝尖晶石前驱体，当温度升至850℃时，镁铝尖晶石前驱体便转化为镁铝尖晶石粉体。

他们的进一步研究表明，含有前驱体的水菱镁矿在1400-1600℃下无压烧结制备的镁铝尖晶石，具有优异的烧结活性，在1600℃时得到的烧结坯体致密度为97%，而在同样条件下，由水镁石得到的坯体致密度仅为72%，且颗粒尺寸范围非常宽，得到的镁铝尖晶石产物不均匀。

固相反应法合成的镁铝尖晶石适用于工业上的大批量生产，例如耐火材料对镁铝尖晶石的需求量。

作为耐火材料，镁铝尖晶石被应用于钢铁冶炼窑炉内衬、钢包、回转窑煅烧区域、玻璃窑蓄热室格子砖等部位。

但是，固相反应法不适用于制备光学透明陶瓷材料，催化剂及催化剂载体，湿度传感器等。

而湿化学法是制备这类材料的首选方法，因为其得到的粉体比固相反应法得到的粉体性能更优异，它更容易控制产物的均匀性、纯度、粒度、形貌以及在陶瓷颗粒中的分布、反应温度也更低，这些对于制备先进的功能陶瓷是非常重要的参数。

二、湿化学法
（一）共沉淀法
共沉淀法是按照镁铝尖晶石的化学计量比来配原料，再将原料在水溶液中共同沉淀，然后将沉淀物质进行过滤、烘干、煅烧，最后得到产物镁铝尖晶石。

共沉淀法得到的镁铝尖晶石纯度可达到99.5%，反应过程容易控制，只要原料纯度高，得到的产物纯度也高。

此外，通过控制溶液的pH值及煅烧温度，便可控制镁铝尖晶石的晶粒尺寸，便于应对镁铝尖晶石不同的使用环境。

（二）燃烧合成法
燃烧合成法是一种简单、经济的粉末合成方法。

这个过程不需要任何酸的辅助，只需要将相应的镁盐和铝盐水解，再经过洗涤、过滤、烘干和煅烧的步骤去除杂质，得到目标产物镁铝尖晶石。

此方法节约了能源和时间，但是得到的镁铝尖晶石粉体不易烧结，因为它们呈小比表面积的片状粉末形态。

粉体的形态、颗粒尺寸及比表面积直接取决于燃烧过程中溢出的气体的量，而溢出气体的量又取决于所使用燃料的性质和用量（燃料分子尺寸越大、使用量越多，产生的气相就越多）。

溶液中两个相邻的金属离子被燃料分子隔离开，使得它们间的距离增加，所以水化的金属离子之间的相互作用减弱，反过来就使得生成的镁铝尖晶石粉体具有颗粒细小、比表面积大以及分散性好的特性。

因为这一系列优势性能使得溶液燃烧合成法可以在传统电烤箱或者微波炉中使用各种有机燃料来合成镁铝尖
晶石粉体。

诸多研究表明，溶液燃烧合成法合成的氧化物复合粉体与单种氧化物粉体相比，具有更优异的烧结性能和微观结构。

（三）水热合成法
在氧化物的制备方法中，水热合成法是非常重要的一种方法。

水热合成法是指在水溶液中加热（>250℃）、加压（>100KPa）使单相或多相反应物直接从溶液中结晶成陶瓷材料。

与其他传统、非传统的陶瓷粉末制备方法相比，水热合成法具有诸多优势，例如其可以制备所有形态的陶瓷粉体，换句话说，它可以制备粉体、纤维、单晶、整片陶瓷体，以及金属、高分子聚合物、陶瓷表面涂层等。

用水热合成法来制备镁铝尖晶石，其用時短且能耗少，在制备工艺过程中，仅需要及少量的混合、球磨，甚至不需要。

此外，镁铝尖晶石粉体可以直接从溶液中沉淀，有利于对其成核、长大、熟化的速率及均匀性的控制，如此可改进镁铝尖晶石的尺寸控制、晶粒形态、有效减少晶粒团聚，这些都是其他方法所达不到的。

因为微观结构的可控性，使得原料中颗粒尺寸减小并分布均匀，所以生产的镁铝尖晶石质产品具有最佳性能并且可重复生产。

三、结语
综上所述，大批量合成镁铝尖晶石的方法是采用MgO和Al2O3为原料的传统固相烧结法，虽然固相烧结法可以满足需求量大的工业应用，但是其能耗大且制备的镁铝尖晶石有8%的体积膨胀，是需要进一步解決的问题。

与固相反应法相比，湿化学法制备的镁铝尖晶石粉体具有晶粒尺寸小而均匀，比表面积大且烧结活性好等优点，是一种重要的功能材料。

我国高铝矾土和菱镁矿的储藏量和品位都很高，所以合理开发和利用资源来制备镁铝尖晶石，对工业发展具有极其深远的意义。

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