纳米氧化铝粉体

2012〜2013学年秋季

“材料化学”课程

期中考试课程论文

论文题目：纳米氧化铝粉体

的制备与应用

作者唐俊

学号0910412107

授课老师柯凯

纳米氧化铝粉体的制备与应用

摘要本文从氧化铝的结构和物性、纳米氧化铝粉体的制备工艺和应用等方面对纳米氧化铝粉体进行了介绍。

关键词氧化铝陶瓷纳米制备应用

1. 前言

陶瓷材料具有金属和其他材料不可比拟的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异的性能，在高技术领域有着十分广泛的应用前景，但其固有的脆性和可靠性极大地限制了陶瓷材料的推广应用。随着纳米技术的发展，纳米陶瓷应运而生，由于纳米陶瓷具有许多独特的性能[1]，人们对纳米陶瓷寄予了很大的希望，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的韧性和可加工性。世界各国的科研工作者正在不断研究开发纳米陶瓷粉体，并以此为原料合成高性能纳米陶瓷[2-4]。

o

氧化铝陶瓷是目前世界上产量最大、用途最广的陶瓷材料之一，它在自然界中储量丰富，最常见的是以不纯的氢氧化物形式存在，并由此构成铝矶土矿。热力学稳定的a Al 2O3陶瓷属刚玉结构，具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、绝缘性好、比表面积大等优异的特性，在陶瓷、化工、电路等方面得到了广泛的应用[5，6]。

2. 氧化铝的晶体结构和基本物性

了解和掌握氧化铝的结构和物性，是制备纳米氧化铝粉体和制备各种特性氧化铝陶瓷的基础。

2.1 氧化铝的晶体结构

氧化铝是目前氧化物中比较重要的一种，它广泛应用于各种结构

和功能陶瓷中，氧化铝有很多的晶型，不同的晶型有着不同的应用。

Al 2O3有很多种晶型，目前已发现的在十二种以上，其中常见的

有a , B , 丫等。除修AI2O3是含钠离子的Na2O?11Al2O3以外，其它几种都是AI2O3的变体。其中a是高温稳定晶型，其它均为不稳定的过渡晶型，在咼温下可以转变为a相。

氧化铝结构一般的分类方法为：首先根据02-的排列结构分成

FCC和HCP两大类，然后再在02-排列结构的每一大类中再依据A13+ 的亚点阵的不同分成不同的相，氧化铝常见物相结构见表1。在这些相中，a相是稳定相，其余是亚稳相，随着温度的升高，这些过渡型亚稳相的氧化铝都要向a相（稳定相）转变，这种相变是晶格重构型相转变，是不可逆相转变。

表1氧化铝相的分类以及相关参数

a-AI 2O3的晶体结构：O2-呈Hep排列，A13+依次占据其2/3八面体间隙，图1是a-AI 2O3晶体在｛0001｝面投影⑺。

2.2 a-AI 2O3陶瓷的性质

a-AI 2O3陶瓷具有熔点高、抗氧化性好、硬度高、强度高、耐磨

损及绝缘性优异等特点。主要的性能特点如表2所示

图1 o-Al 2O3晶体在｛0001｝面投影

o-Al 2O3 （刚玉，Corundum）是Al 2O3 的三种常见种类o-Al 2O3, Y AI2O3, B -AI2O3）中结构最紧密，活性最低，高温最稳定，电性能最好的一种。具有优良的电性能，而且与活性氧化铝不同，刚玉耐酸而不吸附水。刚玉和人造刚玉可作磨料或抛光材料。在自然界中，

a-Al 2O3以天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物存在。

表2 o-Al 2O3的主要性能特征

性能数值

熔点胆2040

密度/g'cm3 3.98

膨胀系数8.5

热导率/W-m a K429

杨氏模«/GPa380

维氏硬度/GPa

18

体积电阻率/O-m

1012介砲常数9

3. 纳米氧化铝粉体的制备

高质量的纳米氧化铝粉体是获得高性能纳米氧化铝陶瓷材料的关键，因此，如何制备性能优良、成本低廉的氧化铝粉体是氧化铝陶瓷研究中的重要课题。纳米氧化铝粉体的制备方法有很多种，按其制备过程中是否伴随有化学反应发生可分为物理法、化学法和物理化学法;按其制备条件分为干法和湿法; 按制备时的物相可分为气相法、液相法和固相法。下面按制备时的物相分类法来综述纳米氧化铝粉体的制备及其研究进展。

3.1 固相法

固相法就是将铝或铝盐研磨锻烧，经过固相反应后直接得到纳米氧化铝。固相法的特点是产量大，易实现工业化，不足之处是粉体的细度、纯度及形态受设设备和工艺本身的限制，往往得不到很细及高纯的粉体。目前制备纳米氧化铝常用的固相法有非晶晶化法、机械粉碎法、热解法和燃烧法等。

(1) 非晶晶化法

首先制备非晶态的化合态铝，然后再经过退火处理，使其非晶晶化。由于非晶态在热力学上是不稳定的，在受热或辐射条件下会出现晶化现象，控制适当的条件可以得到氧化铝的纳米晶粒。

这种方法的特点是工艺比较简单、易控制，能够制备出化学成分准确的纳米材料，由非晶态可直接制备出纳米氧化铝。但产品粒度分布不均，易团聚，粒度难控制，晶粒的粒径对塑性的影响很大，只有粒径小的时候，塑性才比较好，否则生产出来的材料会变得很脆。

(2) 机械粉碎法

机械粉碎法是指利用物理机械粉碎、研磨的方法。该法的优点是

操作简单成本低廉和产量高等；缺点是所得氧化铝超微粉的纯度、粒径分布和粒子外形不尽人意，并且噪音大，会产生大量的粉尘，对工作环境和自然环境造成严重的污染等。因此，该法只能用于小规模生产，目前暂时无法实现大规模工业化。

(3) 硫酸铝铵热解法

将硫酸铝铵(NH4AI(SO4)2?12H2O)在空气中进行热分解(反应式见式①)，可以获得性能良好的Al 2O3粉末。在升温过程中，80-90 °C 时，会被自己的结晶水溶解，继续升温到210C时大部分结晶水会脱去，到550C时会脱去氨气，约900C时分解生成势T AI2O3，大约在1250C时相变为o-AI

2O3.该法操作简单，对设备要求不高，原料容易提纯，所以是目前生产纳米氧化铝的主要方法之一。与此同时该生产

方法存在一些不足之处：首先，焙烧过程放出的SO2对设备有腐蚀作用，对环境构成污染；其次，在加热过程中铵明矶脱出的结晶水会使之发生所谓热溶解现象影响产品质量。

2NH4AI(SO4)2?12H2O ——Al 2O3+2 NH3+4 SQ+25 出0 ①

(4) 燃烧法

燃烧法是利用高温下迅速点火来制备纳米材料的一种新方法，近

年来在国际上日益受到重视并迅速发展起来。该法的优点是节能省时，产物纯度高，易于形成高浓度缺陷和非平衡结构，生成高活性的亚稳态产物，易