微波热解法制备α-氧化铝粉末

内容摘要α-Al2O3具有良好的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性等特点，可作为集成电路的基板、高硬材料、耐磨材料、耐火材料等。

微波热解工艺是近年来发展起来的一种新型材料制备工艺方法。

本课题采用一种新型热解技术——微波热解法制备α-Al2O3粉末。

采用氢氧化铝和十二水合硫酸铝铵为原材料，经过微波热解制成α-氧化铝粉末，借助于TG/DTA和X射线衍射等手段研究了在Al(OH)3和AlNH4(SO4)2•12H2O样品的不同热解过程中亚稳态Al2O3的相变过程，同时采用SEM分析粉末的断口形貌等显微组织，利用XRD分析粉末的物相组成，分析材料的纯度、粒度等性能。

结果表明，微波热解温度和保温时间对Al2O3颗粒的大小、形貌和晶相有重要的影响。

与常规热解相比，微波热解的样品纯度和粒度要好；适当降低热解温度，能有效地控制Al2O3颗粒的粒径；同时热解后以较短的时间保温，更有利于生成的氧化铝向稳定的α晶相转变。

关键词微波热解；α-氧化铝；粉末；密度；粒度目录引言 (1)1 概述 (2)1.1 氧化铝的研究背景 (2)1.1.1 几种常见的氧化铝晶型及应用 (2)1.1.2 氧化铝的性质及应用背景 (3)1.2 α-氧化铝的选题背景 (4)1.3 微波烧结技术介绍 (7)1.3.1微波烧结原理 (8)1.3.2微波烧结优点 (9)1.3.3微波与材料的相互作用机制 (11)1.4 微波烧结Al2O3的研究现状 (13)1.5 本文的提出、研究内容 (14)2 实验准备部分 (15)2.1 实验原材料 (15)2.2 实验仪器 (16)2.3 样品的测试与表征 (19)3 实验过程..................................................... 2O 3.1微波热解过程 ............................................. 2O 3.2 反应过程分析 (22)3.2.1 TG-DTA分析 (22)3.2.2 XRD分析 (23)4实验结果与分析 (24)4.1 α-氧化铝的聚合生长 (25)4.2烧结温度对α-氧化铝显微结构的影响 (26)4.3 密度分析 (27)4.4 粒度分析 (28)5结论 (29)致谢 (29)参考文献....................................................... 3O微波热解法制备α-氧化铝粉末班级学号：O8O6O9215 作者：尚田田指导教师：张锐职称：教授引言α-Al2O3是六方紧密堆积晶体，晶格能较大(16743kJ·mol-1)、熔点高达(205O℃)、硬度大(达莫氏硬度9)、结构紧密(密度达4.019g·cm-3)、机械强度高、制品对酸、碱有较好的抵抗力等优点。

基于α-Al2O3优良的物理、化学性能，α-Al2O3在陶瓷、抛光、耐火材料、化工等领域有着广泛的用途。

工业上大量使用的氧化铝粉末是利用拜尔法，将开采的铝矾土矿通过化学处理的方法得到的。

从传统的观点看，氧化铝分为高温型α-Al2O3及低温型γ-Al2O3，在α与γ之间存在多种中间体。

目前陶瓷工业用α-Al2O3，这是一种熔点最高又最稳定的氧化铝晶相。

微波烧结是一种利用微波对材料进行体积型加热从而完成烧结的方法，只要保温措施得当，便可以实现对材料的均匀加热，从而得到均匀的微观结构。

微波电场对物质的扩散有促进作用，因此可以降低烧结时间和温度，抑制晶粒的过分生长，得到更好的微观质量。

微波烧结还具有能源利用率和加热效率高、安全卫生无污染等常规烧结技术无法比拟的优点，预示了其广阔的发展前景。

1 概述1.1 氧化铝的研究背景氧化铝有许多同质异晶体，估计在十二种以上。

其中常见的有α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ、κ、χ等，具体的分类方法为：首先根据氧离子排列结构分成面心立方体(FCC)和六方最紧密堆积(HCP)两大类，然后再在氧离子排列结构的每一大类中依据铝离子的亚点阵的不同分成不同的相，具体见表1-1。

上述相中，除去α相外，其它各相均称为低温下的过渡型相，处于κ热力学上的不稳定状态，随着温度的升高，这些过渡型的氧化铝相都要向高温热力学稳定型相α相转变，是一种晶格重构不可逆转变。

通常α-氧化铝的制备均是由氧化铝的前驱体经过高温锻烧而制得的，但是对于不同的前驱体由于所含的成分、杂质以及轻基含量的不同，就会在升温的过程种出现不同的过渡型相。

1.1.1 几种常见的氧化铝晶型及应用α-Al2O3属六方晶系，其单位晶胞是一个尖的菱面体，氧离子近似于六方密堆排列，Al3+占据2/3 的八面体空隙。

α-Al2O3是自然界中唯一存在的Al2O3变体，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。

α-Al2O3是所有Al2O3变体中结构最紧密、力学性能最佳、电学性能最好的晶相，在所有温度下都是稳定的，其他同质异晶体在温度达到1000—1600℃时都不可逆地转变为α-Al2O3。

α-Al2O3(刚玉)是所有Al2O3晶型中使用最多的一种，由于它熔点高(可达2050℃)，耐热性强、耐腐蚀性和耐磨性均很优良，因而广泛的应用在结构与功能陶瓷中，用在集成电路的基板、高硬材料、耐磨材料、耐火材料等领域。

β-Al2O3不是氧化铝的独立变体，它不是一种纯的氧化铝，是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。

可以近似地用RO·6Al2O3和R2O·11Al2O3来表示其化学组成（RO 指碱土金属氧化物，R2O 指碱金属氧化物）。

γ-Al2O3属尖晶石型（立方）结构，氧原子形成立方密堆积，铝原子填充在间隙中。

它的密度较小，且高温下不稳定，机电性能差。

由于是松散结构，因此可利用它来制造特殊的多孔材料。

氧化铝有α（刚玉型）、β、γ、δ等11种变体，其中主要是α、γ两种晶型，而且只有一种热力学稳定相，即α氧化铝。

而β氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。

它们的结构各不相同。

1.1.2 氧化铝的性质及应用背景Al2O3的基本性能（1）机械性能，烧结Al2O3陶瓷是多晶瓷材料，其强度主要受组成和结构的影响。

在未加入专门的添加剂时，显气孔率为零的烧结Al2O3陶瓷体密度可达理论密度的94—96%。

添加了适当的助烧剂细化Al2O3晶体后，其机械强度也增强。

Al2O3成分越纯，强度越高。

强度在高温下可维持到900℃。

（2）热性质，Al2O3陶瓷在20—1000℃温度范围内的线膨胀系数为8.5×10-6℃-1。

由于Al2O3在高温下不存在晶型转变，所以它的热膨胀不随温度升高而变化。

显气孔率为零的烧结Al2O3陶瓷，在20℃时的热导率为28W/（M·K），随着温度的升高，其导热能力下降，温度上升到1000℃时，烧结Al2O3的热导率为5.8 W/（M·K），约为20℃时数值的20%。

（3）电性能，常温下Al2O3的体积电阻率约为1014—1016Ω·cm。

体积电阻率的数值与材料纯度有关，也与瓷体结构中的玻璃相的组成及性质有关。

当温度高达1000℃时，Al2O3瓷体电阻率下降到106——107Ω·cm；温度为1500℃时，体积电阻率为104—105Ω·cm。

某些杂质可以使Al2O3陶瓷的体积电阻率下降一到三个数量级。

（4）化学稳定性，Al2O3陶瓷的化学稳定性相当高。

酸和碱都不与Al2O3发生化学反应。

在常温下，就是HF 酸也不能对Al2O3陶瓷起作用。

Al2O3陶瓷对酸碱所表现出超高的稳定性。

1.2 α-氧化铝的选题背景氧化铝是美国目前使用量最大的无机阻燃剂，年增长率1O%以上，它既作填料，又有阻燃作用，广泛应用于塑料工业；氧化铝凝胶可用于纤维工业、陶瓷工业、电器材料、电子材料，催化剂、化妆品等方面高纯氧化铝(99.99%)需求增长主要在传输陶瓷领域，并开始用于生物陶瓷如人造骨骼、牙工艺及用于半导体基板等。

目前，世界上95%以上的氧化铝是用拜耳法生产的，国外基本是以优质易溶的三水铝石型铝土矿为原料，采用流程简单、能耗低的拜耳法生产氧化铝，而我国还是以难溶的一水硬铝石型铝土矿为原料，采用流程复杂能耗高的“拜耳-烧结”联合法生产氧化铝。

总体来说，我国氧化铝工业已有不少先进技术，但是未普遍推广应用，仍处于落后状态。

因此，氧化铝的发展前景十分广阔。

α-氧化铝以其强度高、硬度大、耐高温、耐磨损等一系列优异特性，在各种新型陶瓷材料的生产中得到广泛的应用。

它不但是制做集成电路基片、人造宝石、切削刀具、人造骨骼等高级氧化铝陶瓷的粉体原料，而且可用作荧光粉载体、高级耐火材料、特殊研磨材料等。

随着现代科学技术的发展，α-氧化铝的应用领域正在迅速拓宽，市场需求量也在日益增大，α-氧化铝在如下领域中均有应用：α-氧化铝在功能陶瓷中的应用功能陶瓷是那些利用其电、磁、声、光、热等性质或其耦合效应，以实现某种使用功能的先进陶瓷，其具有绝缘性、介电性、压电性、热电性、半导体、离子传导性以及超导性等多种电气性能，因此有多方面的功能和极广泛的用途。

目前已大规模实用化的主要是集成电路基板和封装用绝缘陶瓷、汽车火花塞绝缘陶瓷、在电视机和录像机中广泛使用的电容器介电陶瓷、有多种用途的压电陶瓷和各种传感器用敏感陶瓷，此外还用于高压钠灯发光管等。

（1）用作发动机中火花塞绝缘陶瓷材料，因氧化铝具有优良的电绝缘、高机械强度、耐高压和耐热冲击等特性，因此，目前世界上广泛使用氧化铝绝缘火花塞。

火花塞用一氧化铝的要求为普通低钠α-氧化铝微粉，其中氧化钠含量≤0.05％，平均粒径≤325目。

（2）用作基板材料和封装材料在以下几个方面优于塑料：高绝缘电阻、高抗化学腐蚀、高密封性、能阻止湿气透过、无反应活性、不会污染超纯半导体硅。

集成电路基板和封装材料所要求一氧化铝的性能为：热膨胀系数7 .0×10-6／℃，导热率20—30W／K·M(室温)，介电常数9—12(1MHz)，介质损耗3—10-4(1MHz)，体积电阻率>1012—1014Ω·cm(室温)。

随着集成电路高性能化、高集成度化，对基板和封装材料提出了更严格的要求：①随芯片的发热量增大，要求更高的导热率；②随运算元件的高速化，要求低介电常数；③要求热膨胀系数接近硅。

这就对α-氧化铝的要求更高，即向高纯、精细的方向发展。

（3）由高纯超细氧化铝为原料制成的精细陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性好、强度高等特性，是一种优良的光学陶瓷材料。

由高纯氧化铝加人少量氧化镁、氧化镧或氧化铱等添加剂，采用气氛烧结和热压烧结等方法制成的透明多晶体，能耐高温钠蒸气的腐蚀，可用作高压钠发光灯管，其照明效果。