纳米氧化铝粉体的制备与应用进展_何克澜

纳米氧化铝粉体的制备与应用进展＊何克澜,林　健,覃　爽(同济大学材料科学与工程学院,上海　200092)摘要:纳米氧化铝粉体在化工、陶瓷等行业拥有广泛的应用前景,不断开发纳米氧化铝材料的新型制备工艺,对于提高产品质量并不断开拓其应用领域具有重要意义。

本文综述了氧化铝纳米粉体材料的各种制备工艺,并对其近年来最新研究、应用进展进行了阐述和分析。

关键词:纳米氧化铝;制备;应用中图分类号:T Q 171.6+11 文献标识码:A 文章编号:1000-2871(2006)05-0048-05D e v e l o p m e n t o f P r e p a r a t i o n a n dA p p l i c a t i o no f A l u m i n a N a n o p o w d e rH EK e -l a n ,L I NJ i a n ,Q I NS h u a n g(S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n g h a i 200092,C h i n a )A b s t r a c t :N o w a d a y s ,a l u m i n an a n o p o w d e r i s c o m m o n l ya n dw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ,s u c ha sc h e m i c a l i nd u s t r y ,ce r a m i ci n d u s t r y .I t i sv e r yi m p o r t a n t t od e v e l o pn e w t e c h n i q u e sof a l u m i n an a n o p o w d e r f o r i m p r o v i n g p r o d u c t q u a l i t y a n d e x p a n d i n gt h e i r a p p l i c a t i o n s .T h i s a r t i c l e p r e s e n t e dav a r i e t y o f m e t h o d s f o r p r o d u c i n g a l u m i n a n a n o p o w d e r ,a n de x p o u n d e da n da n a l y z e dr e c e n t r e s e a r c hp r o g r e s s a n d a p p l i c a t i o n s o f a l u m i n a n a n o p o w d e r .K e y w o r d s :a l u m i n a n a n o p o w d e r ;p r e p a r a t i o n ;a p p l i c a t i o n1　前言纳米材料是指其一维尺度小于100n m ,且具有常规材料乃至常规微细粉末材料所不具备的许多反常特性的一类材料。

纳米氧化铝材料的特殊光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象、在高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性,以及各种纳米粉体材料共有的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,使其在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等领域有广阔的应用前景。

氧化铝是在地壳中含量非常丰富的一种氧化物。

氧化铝有多种晶型,其中α-A l 2O 3属高温稳定晶型,具有较高的熔点和很高的化学稳定性。

通常可使用拜尔法和电熔法来生产α-A l 2O 3粉体,此类粉体广泛运用于制备各种氧化铝陶瓷。

而具有量子效应的纳米氧化铝粉体还可带来高化学活性、高比表面能、独特光吸收作用等各种优异性能,可广泛应用于冶金、机械、化工等领域[1,2]。

因此研究和开发纳米氧化铝材料的制备工艺及其应用,具有重要的社会效益和经济价值。

　第34卷第5期2006年10月玻璃与搪瓷G L A S S ＆E N A M E L V o l .34N o .5O c t .2006＊收稿日期:2006-03-142　纳米氧化铝粉体的制备方法高纯纳米氧化铝粉体的制备方法有很多,大致可分为固相法、液相法、气相法等。

各种方法都有其一定优势,但是也存在不足,因此一般根据实际产品要求来选择不同的制备方法。

2.1　机械化学法[3]机械化学法是将铝粉与其他金属氧化物在球磨条件下进行固相反应生成氧化铝粉末。

J .M .W u [3]通过对Z n O 和铝进行球磨,使得Z n O 和铝发生固相反应,并使Z n O 被还原成Z n ,铝被氧化成A l 2O 3,以此得到10～50n m 的无定形氧化铝粒子。

这种反应所需要的温度要远低于燃烧反应,可以在较低的温度环境下控制反应逐步进行,因而可应用于抗腐蚀、抗磨涂层以及金属模板复合物增强材料的制备中。

2.2　等离子体法[4,5]等离子体法主要通过加热气体使之变为等离子气体,进而在等离子气体气氛下使铝盐与空气发生反应,最后骤冷产物凝聚成微小的颗粒,生成的氧化铝产物可以在反应容器的壁上收集。

等离子体法主要优点在于等离子的高温和反应的高焓可以使不易反应的物质反应。

另外,骤冷步骤促进均匀成核,有利于形成纳米粒子。

A n a n t h a p a d m a n a b h a n [4]等使用热等离子法,使用氩气和氮气作为等离子气体,使受压空气和铝粉发生反应,制备了粒度分布几个到30n m 的γ-A l 2O 3粉体。

2.3　溶胶凝胶法[6,7]溶胶凝胶法采用有机醇盐或者无机盐在液相中均匀分布成溶胶,然后加入水使之发生反应,在一定温度和p H 值等条件下生成凝胶。

待凝胶干燥后,在不同温度下煅烧而得到所需粉体。

其水解、聚合过程中发生的反应为:水解　A l (O R )3+x H 2O※x A l (O H )x (O R )3-x +x R O H ⑴ 聚合　A l -O H +H O-A l ※A l -O-A l +H 2O⑵ 或　A l -O R+H O-A l ※A l -O-A l +R O H⑶ 溶胶凝胶法的优点是在常温下进行反应,反应条件可控。

但成本高,有一定的环境污染。

2.4　沉淀法[8]A l (O H )3是两性氧化物,可以通过调节酸碱度来促使存在于溶液中的A l 3+反应生成A l (O H )3沉淀。

对一些可溶性铝盐,如A l C l 3,A l (N O 3)3等,可通过加入碱性物质调整溶液p H 值来产生A l (O H )3沉淀。

再通过对A l (O H )3热处理可以得到氧化铝。

这种制备工艺较为简单、生产成本低,但是粒子尺寸不易控制,需要使用其他方法来加以辅助改进。

2.5　硫酸铝铵热解法[9]硫酸铝铵热解法是把硫酸铝铵加热分解,得到氧化铝粉体的制备方法。

有报道[9]通过聚乙二醇改性可以制得平均粒径25n m 的α-A l 2O 3。

硫酸铝铵热解法可以运用于大规模生产,但是反应中出现S O 2等有害气体而会引起环境污染。

2N H 4A l (S O 4)2·12H 2O※A l 2O 3+2N H 3+4S O 2+13H 2O⑷ 2.6　碳酸铝铵热解法[10,11]该法先把硫酸铝铵加入碳酸氢铵使之反应转化为碱式碳酸铝铵,再把高纯的碱式碳酸铝铵加热分解,粉体再经过转相和粉碎,得到高纯超细氧化铝粉体。

该法其实是对硫酸铝铵热解中硫酸铝铵分解排放出有害气体S O 2的情况而做的改良。

该法的关键是得到高纯的碱式碳酸铝铵。

如李江[10]等利用均相沉淀法首先制备了前驱物N H 4A l (O H )C O 3,而后再加热分解N H 4A l (O H )C O 3得到A l 2O 3纳米粒子。

Zh o n g j u n L i [11]采用碳酸铝铵热解法得到40～50n m 的α-A l 2O 3,并且在1450℃下就使氧化铝烧结,大大降低了烧结温度。

2.7　醇盐水解法[12,13]醇盐水解法是通过醇盐在水中分解来获得所需产物的方法。

醇盐水解法是制备各种超细氧化物粉末的方法之一。

一般来说,金属醇盐溶于有机溶剂,且遇水极易分解成相应的氧化物或是水合氧化物。

通过调整·49·　第34卷第5期 玻璃与搪瓷 溶液体系的各种参数和表面活性剂,可得到不同形貌以及不同粒径分布的纳米粒子[12,13]。

用醇盐水解法制备A l 2O 3会因条件不同而得到不同的产物,既可获得Al O (O H )非晶质及晶体粉末,也可获得透明的溶胶。

通常使用乙醇或异丙醇为溶剂,由于醇盐水解产物种类与溶剂相同,因此可重复利用而降低生产成本[13]。

3　近年来的一些新型制备工艺研究上述的纳米氧化铝制备工艺中,有一些已经投入到实际生产之中,但仍或多或少存在着一些缺点。

例如硫酸铝铵法会产生有害气体;溶胶凝胶法虽然能制备高品质的氧化铝粉体,但工艺复杂,原料较昂贵,不利于规模生产。

由于市场对纳米氧化铝的需求,尤其是对高品质纳米氧化铝的需求急剧增加,因此近年来国内外仍在不断寻找新的制备方法或是改进已有的制备工艺。

3.1　溶胶凝胶法的改进[14,15]溶胶凝胶法制备氧化铝粉体有其自身的缺点。

如使用铝盐(例如A l C l 3)作为原料,则在反应过程以及后期的煅烧过程中可能产生腐蚀性气体。

而如果采用有机醇盐的话,则将面临原料的昂贵成本和因较强活性而不易储存等问题。

为了解决上述问题,T h i r u c h i t r a m b a l a m a 等[14]利用直接水解金属铝,并且通过超声波振荡等方法分散产物成为溶胶,而后蒸干水分形成一水软铝石(勃姆石)凝胶。

最终只需在1000℃煅烧1h 就得到了α-A l 2O 3,这比直接煅烧一水软铝石生成α-A l 2O 3所需的1200℃降低了很多。

由于纳米粒子有较高的比表面能,所以很容易团聚。

在液相法中均匀分散的纳米尺度粒子会因为在空气中干燥而形成团聚。

所以需要用特别的干燥方法来消除气液界面,从而减少团聚的发生。

陈海阳等[15]利用溶胶凝胶法与超临界干燥相结合的方法制备纳米氧化铝粉体,通过超临界干燥使得分散均匀的水合氧化铝溶胶在干燥过程中不易发生团聚。

采用超临界干燥法可以得到大比表面、大平均孔径和高孔容的氧化铝超细粒子,氧化铝超细粒子的外形为纤维状粒子,长100n m 、直径10n m 左右,粒子分布比较均匀。