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超细α-Al2O3具有高的表面活性、熔点、强度、硬度及耐磨、耐高温、耐腐蚀等优越性能,是一种极为重要的陶瓷粉体材料,被认为是21世纪高技术领域的基础材料之一。本论文以硫酸铝铵NH4Al(SO4)2(AAS)和碳酸氢铵NH4HCO3(AHC)为原料采用沉淀工艺制备碳酸铝铵(AACH)前驱体,并煅烧得α-Al2O3超细粉体。利用XRD、SEM、TEM、TG/DSC和BET等测试手段对前驱物及其煅烧产物粉体进行表征。
在碳酸铝铵前驱物的制备过程中,考察了加料方式、pH值、滴定速度、反应温度、配比过剩系数、表面活性剂及其用量等工艺因素对前驱物合成的影响,确定了制备AACH的最佳工艺条件。研究结果表明:将0.2 mol/L的AAS溶液以<18 mL/min的滴定速度滴加到2.0 mol/L的AHC溶液中,添加5wt%的PEG2000作为分散剂,并控制反应体系的pH值为9~10、温度T为50℃、配比过剩系数为1.2~1.5,可以得到性能优异的纯AACH沉淀,此时AACH前驱物比表面积达76㎡/g。
在醇水混合溶剂中合成AACH前驱物,有利于前驱物晶核的形成、抑制颗粒的生长,并大幅度地改善了产物的分散性,同时有利于AACH前驱物粉体的后期处理及各添加剂的引入。在乙醇体积分数为40%的醇水混合溶剂中合成的AACH前驱物性能最佳,颗粒呈松散的针片状,几乎没有团聚,据谢乐公式计算出一次晶粒粒径为8 nm,比表面积达183㎡/g,经真空冷冻干燥处理的产物分散性进一步改善,比表面积达195㎡/g。
纯碳酸铝铵高温相变过程为:AACH→AlOOH→无定型Al2O3→γ-Al2O3→θ-Al2O3→α-Al2O3。于1150℃煅烧2h全部转变为α相,产物的颗粒呈球状,粉末颗粒平均粒径为120 nm左右,颗粒间团聚比较严重,形成“树枝状”的结构,有明显的硬团聚体(烧结颈)产生,其比表面积仅为20.3㎡/g。
为了降低α相变温度及消除“树枝状”结构,本文通过在前驱体中掺杂α-Al2O3籽晶、(NH4)2SO4矿化剂等物质来降低α相变温度、改善粉末显微结构。研究结果表明:(1)添加了5 wt%α-Al2O3籽晶的I5试样和掺杂了适量(NH4)2SO4矿化剂的J4试样于1050℃煅烧2h均全部转变为α相,α相变温度降了100℃,a-Al2O3产物很少出现“树枝状”结构,粉体分散性改善,平均粒径为80 nm左右。(2)同时掺杂了5wt%α-Al2O3籽晶和适量的(NH4)2SO4的K试样于1000℃煅烧2h后α相变完全,α相变温度降了150℃,且高温相变过程为:K→无定型→γ→α,没有出现过渡型θ相,产物颗粒细小几乎没有团聚,比表面积高达51.4㎡/g,颗粒的平均粒径约为60 nm,且氧化铝含量达99.8%。