高纯球形氧化铝

高纯球形氧化铝

纳米材料是纳米科技的重要组成部分。纳米材料分为两个层次，即纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1-100nm，包含几十到几万个原子的超微粒子;纳米固体是把纳米微粒作为基本构成单元，适当排列一维的量子线，二维的量子面、二维的纳米固体。纳米固体有一般晶体材料和非晶体材料都不具备的优良特性。它的出现使凝聚态物理理论受到了挑战。

纳米氧化铝由十表面效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应的作用}fU具有良好的热学、光学、电学、磁学以及化学方面的性质，因此它被广泛用十传统产业(轻工、化工、建材等)以及新材料、微电子、宇航工业等高科技领域，其应用前景十分广阔。

尽管近几年内超细氧化铝的产量不断上升，但由于超细氧化铝所具有的耐腐蚀、耐高温、高硬度、高强度、抗磨损、抗氧化、绝缘性好和表面积大等良好特性，使其在冶金、化工、电子、国防、航天及核工业等高科技领域得到了广泛的应用，国内外市场对超细氧化铝的需求量年增长率不断增高。因此，进一步探索制备超细氧化铝粉体的新方法，有非常重要的意义。

目前，制备超细氧化铝的方法很多，根据反应原理主要分为固相法、气相法、液相法。但每种方法都有其自身的局限，如固相法存在工艺复杂、醇盐价格昂贵、很难制备小于100nm的小颗粒、颗粒晶型不理想等问题;气相法存在生产效率低、工艺参数难以控制、装置庞大、结构复杂、设备昂贵、粉末的收集困难等局限性;湿化学法中团聚问题至今是一个难题，尽管不少研究者探索出来众多的减小或避免团聚的解决方案，但也都有其自身的局限性。因而，探索制备高性能、无团聚的、满足市场需求的γ-A12O3的制备技术，已经引起国内外研究者的广泛关注。本文采用沉淀法制备超细球形氧化铝，用硫酸铝铵为母液，碳酸氢铵为沉淀剂，通过比较不同反应体系的PH值，反应时间，干燥、陈化时间，烧成温度等，测试不同条件下产物的性能，确定出合理的工艺参数，从而制备出粒度小，形貌均匀的超细球形氧化铝。

氧化铝有很多晶型，目前发现的在十二种以上，其中常见的有α、γ、η、θ、β、δ等[2]，除β一A1203是含钠离子的Na20。11A1203以外[3],其他几种都是A1203 的变体。其中主要的、也是在实际工业中得到重要应用的是α-A12O3、β-A12O3和γ- A12O3三种晶型，最稳定的是α-A12O3，其他均为不稳定的过渡晶型，在高温下可以转变为α相。

几种常见的氧化铝的晶型及应用

①γ-Al2O3

γ-Al2O3是最常见的过渡型氧化铝，属于尖晶石结构，在自然界中并不存在。γ-Al2O3制备工艺简单，一般在低温下（500~700°C范围内）可以形成。γ相粒子的粒径很小，多数在5~10nm，拥有巨大的比表面积，可以达到1000m2/g 以上。γ相粒子最主要的用途就是作为催化剂的载体，用于石油化工和环境保护等领域。但是当含水量过高或者温度过高时，γ相粒子就会长大、烧结，也可能向稳定的α相转变，从而失去其巨大的比表面积，导致催化剂的实效。因此，增加γ相在高温条件下的稳定性很关键。目前多采用在γ相中添加稀土元素等少量物质来改善其表面能，从而有效地抑制了γ-Al2O3相变和烧结的发生，提高了比表面的稳定性。

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，化学组成可以近似的用RO . 6Al2O3 和R2O.11 Al2O3 来表示(RO是碱土金属氧化物，R2O是碱金属氧化物)，是由碱金属或者碱土金属离子[Na0]-层[Al11O12]+类型的尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方堆积，钠离子则完全包含在垂直于C轴松散堆积的[Na0]-层平面内，并且可以很快扩散。在适当的条件下，它具有很高的离子电导，当在300℃时，钠离子的扩散系数可以达到1 *10-5cm2/s，而电导率达到3*10-3S/m。利用上述电导性质，可以用来制作钠硫电池和钠澳电池的隔膜材料，广泛地应用于电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起博器中。

α-Al2O3

α-Al2O3俗称刚玉((Corundum)，是所有Al2O3晶型中使用最多的一种，由于它具有较高的熔点(可达2050°C )、以及优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，所以被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。

Al2O3为白色品体，菱形六面体形，属于R3c空间群。在该结构中，氧离子呈六方紧密堆积，即ABAB˖˖˖二层重复型，而铝离子则有序地填充于2/3的八面体空隙，在每一晶胞中有4个铝离子进入空隙，从而使化学式成为Al2O3，由于只填充了2/3的空隙，因此，铝离子的分布必须要有一定的规律，其原则就是在同一层和层与层之间的距离应该保持最远，这样才能够符合鲍林规则[4~6]。

图为α-Al2O3结构中铝离了填入氧离了

密堆积所形成的八面体间隙;

先进陶瓷材料的研究和发展已经成为衡量社会和经济发展的重要标志。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，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷的工作环境，已经成为先进结构的首选材料之一，又由于氧化铝陶瓷廉价的原料来源，使其成为目前生产量最大、应用面最广的先进陶瓷材料[27,28]。目前，氧化铝陶瓷广泛应用在电子电力、汽车工业、化学工业、切削刀具和航空航天领域。纳米氧化铝在如下领域中均有广泛的应用:

(1)陶瓷添加剂

加入一定的纳米级氧化铝粉末，可以有效的解决陶瓷由于低温脆性而应用范围窄的缺点，由此可以制成低温塑性氧化铝陶瓷;在常规陶瓷中添加5.0%的纳米级氧化铝粉体可以有效的增加陶瓷的韧性，并且降低陶瓷的烧结温度。

(2)复合材料

纳米级氧化铝粉体不仅可以用于合成新型的具有特殊性能的复合陶瓷材料以及铝合金纳米氧化铝复合材料一，还可以用来制造人工牙齿和骨骼。

(3)弥散强化材料

氧化铝常常被用作结构材料的弥散相，来增强基体材料的强度。材料的屈服应力与弥散粒子的间距成反比，即粒子间距越小，屈服强度越大。当弥散相的含量一定时，粒子越小，粒子间距也就越小，对材料屈服强度的提高也就越有利。把超细氧化铝分散在金属中，可以提高金属的强度;铸造时将纳米氧化铝粉体作为变质形核(粉体本身无强化相)，耐磨性则可以提高数倍。