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氧化铝以其化学稳定性好、形貌和粒径易调控、硬度大而且价格低廉等优势成为抛光领域主要应用的磨料之一,球形和片状氧化铝是目前应用的热点。采用超细球形氧化铝粉体作为抛光磨料,由于其与被抛光材料表面的接触面小,相互作用力较小,不易在被抛光材料表面形成细微的划痕;采用片状氧化铝作为抛光磨料,因其分散性较好,且具有特殊的二维空间结构,在抛光时上下表面基本平行于被抛光材料的表面,因此可以最大可能地避免表面下的损伤,使抛光后的材料表面平整度较高。为此,本论文对氧化铝的可控制备进行了研究,采用沉淀法制备超细球形氧化铝粉体,熔盐法制备片状氧化铝并研究氧化铝料浆的悬浮稳定性。
(1)超细球形氧化铝的制备及抛光性能研究:采用沉淀法,以硝酸铝为原料,碳酸氢铵为沉淀剂,制备出超细球形氧化铝粉体,研究了沉淀剂种类、反应物浓度、热处理制度等对产物结构、形貌的影响。当硝酸铝浓度为0.5mol/L,碳酸氢铵与硝酸铝摩尔比为6时,加入1wt%的三乙醇胺,经陈化、烘干后得到前驱体粉末,再经热处理,即可得到超细球形氧化铝粉体。研究发现,当热处理温度在1100℃以上时,产物均为纯相的α-Al2O3粉体。当热处理温度为1050℃时,产物为α-Al2O3和θ-Al2O3的混合相。将混合相氧化铝制备成料浆,研究其抛光性能,发现混合相的粉体由于具有硬度较小的θ-Al2O3,可在抛光过程中起到缓冲作用,使抛光面更加平坦,抛光性能优于纯相的α-Al2O3。
(2)熔盐法制备片状氧化铝及抛光性能研究:以硫酸铝、碳酸钠为原料,通过加入不同的熔盐和添加剂来制备片状氧化铝,研究了熔盐的种类及用量、添加剂用量、热处理制度等对片状氧化铝晶体形貌的影响,同时初步研究了片状氧化铝的合成机理。研究表明:采用复合熔盐氯盐(NaCl、KCl)时得到的片状氧化铝形状规则,表面光滑,粒径分布均匀。熔盐与硫酸铝的摩尔比为4,同时加入3wt%的焦磷酸钠作为添加剂,在1000℃下保温3小时,可以得到粒径为2-10μm,厚度为200-400nm,径厚比约为20-50的六角片状氧化铝。通过改变焦磷酸钠的量,可以对片状氧化铝晶体的生长方向及形貌进行控制。熔盐对氧化铝各个晶面的润湿程度不同,使得氧化铝不同晶面的表面能不同,从而导致各个晶面的生长速度不同,最终形成片状氧化铝粉体。
(3)超细球形氧化铝料浆的悬浮稳定性研究:以纯净水为介质,本实验制备的超细球形氧化铝为磨料,加入羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵等为分散剂配制成料浆。系统的研究了分散剂种类、用量及料浆的pH值等对料浆分散稳定性的影响。研究发现加聚丙烯酸铵的料浆悬浮稳定性最佳,它同时具有静电位阻效应和空间位阻效应,在相同的沉降时间内氧化铝的沉降量最小,料浆的分散性最好。