[科普中国]-片状氧化铝

简介

片状氧化铝作为一种性能优良且具有特殊二维片状结构、适中的表面活性、良好的附着力及显著的屏蔽效应而得到大量研发，广泛应用于填充剂、增韧剂、耐火材料和珠光颜料等。熔盐法是近代发展起来的一种制备特定组分的各向异性粉体的简便方法，熔盐法是将产物的原成分在高温下溶解于熔盐熔体中，形成饱和溶液，然后通过缓慢降温或蒸发溶剂等方法，形成饱和溶液而析出晶体。此方法具有合成温度低、反应时间短、容易控制粉体颗粒形状和尺寸等优点。

采用溶胶凝胶和球磨混合两种方法使原料与熔盐充分混合，再用熔盐法制备片状氧化铝，并对所得样品进行比较1。

国外研究现状国外对采用熔盐法来制备片状氧化铝的研究比较早，Shinobu等以硫酸铝经900℃煅烧得到的γ-Al2O3 为初始原料，硫酸钠或硫酸钾作为熔盐，经高温煅烧后得能得到粒径为3.7 ～ 5μm、厚度为0.3μm 的片状氧化铝粉末。Nitta 等以硫酸盐作为熔盐，以可溶性铝盐配制出氧化铝的溶胶，同时添加少量磷酸盐及二氧化钛来改善结晶环境。经过1200℃高温烧结5h，制备出了六角片状结构的氧化铝粉体，所得的粉体粒径在3 ～ 22μm 之间，其厚度约为0.2 ～ 0.3μm，径厚比大于402。

实 验1 溶胶凝胶法

用80℃的超纯水溶解一定量的Al2(SO4)3·18H2O和熔盐NaCl、KCl（氯化钠与氯化钾的摩尔比为1 ∶1），并向其中加入1%wt 的添加剂（二氧化钛等）以及10%wt（与理论计算得到氧化铝的质量百分比计）的50nm 的α-Al2O3 作为晶种，所得溶液标作A ；用80℃的超纯水溶解化学计量相当的Na2CO3, 并添加3%wt 的Na3PO4·12H2O 作为添加剂，所得溶液标作B。将A、B溶液在80℃的水浴条件下混合制得氢氧化铝溶胶。充分干燥后在不同温度下煅烧4h，再水洗干燥后得到氧化铝粉体。

2 球磨混合法

将Al(OH)3 在550℃下煅烧2h 得到的不定形氧化铝作为初始原料，将原料与熔盐NaCl、KCl（氯化钠与氯化钾的摩尔比为1 ∶ 1）混合后置于球磨罐中，并添加1%wt 的添加剂（二氧化钛等）以及10%wt（与理论计算得到氧化铝的质量百分比计）的50nm 的α-Al2O3 作为晶种，其中混合原料∶氧化锆球∶去离子水的质量比为1∶ 4 ∶ 8，球磨时间为12h。待球磨后的粉料干燥后在不同温度下煅烧4h，再水洗干燥后得到氧化铝粉体。对以上两种方法获得的样品进行XRD 与SEM 分析。

结果与讨论1 样品粒径与温度关系以及物相分析

从两种方法所制备样品的平均晶粒尺寸与热处理温度的关系中可以看出随着热处理制度的升高，平均晶粒尺寸也在不断增大。所以降低样品的热处理制度是获得较小尺寸片状α-Al2O3 的关键。

氧化铝转变为α 相的温度一般为1200℃左右。为了得到小尺寸的片状氧化铝粉体，本实验通过添加一定量纳米氧化铝的方法降低了氧化铝的相变温度。相变温度的降低，降低了晶粒生长所需的能量，抑制了晶粒的长大速度。不添加纳米氧化铝添加剂时，在900℃煅烧后洗涤干燥得试样的X 射线衍射图谱，可以看出，得到的了氧化铝粉末晶型为γ 型，其化学性质不稳定。相比较可知：纳米氧化铝作为添加剂能有效地降低氧化铝的相变温度。

2 样品的形貌分析

两种方式都能制备出片状氧化铝，状氧化铝粒径为2 ～5μm，厚度为0.2 ～ 0.5μm，且粉体形状较好、表面光滑，粉体粒径及厚度的尺寸分部也比较均匀，片状粉体径厚比为10 左右；粉体粒径为4 ～ 10μm，厚度为0.2 ～ 0.6μm，样品粒径的尺寸较大，而且形状不规则并有团聚现象。

氧化铝之所以倾向于形成片状晶体，其原因是因为液相吸附在晶面上，使得晶面的表面能降低。这一方面导致生成同样面积晶面所需要的驱动力比晶面的小；另一方面导致它对氧化铝分子的吸引力小，从而使方向的生长速度明显大于方向。从晶体生长过程来看，晶体的生长特性是由晶粒不同晶面的生长速率来控制的，生长速度快的晶面最终逐渐消失，而生长较慢的晶面则会被保留下来，因而添加无机盐的作用就是来控制各个晶面的不同生长速率，从而达到控制晶体形貌的目的。而在煅烧过程中，由于熔盐对于各个晶面的润湿程度不同，导致各个晶面的表面能也存在差异，迫使各个晶面生长速率不同，最终形成片状氧化铝3。

总结（1）在原料中添加少量纳米氧化铝能有效降低氧化铝向α 相转变的相变温度，从而能获得小尺寸的片状α-Al2O3。

（2）采用溶胶凝胶和熔盐法结合方法能够制备出具有理想形貌的片状氧化铝，粉体的粒径2 ～ 5 μm，厚度为0.2 ～ 0.5 μm， 并且表面光滑、分布均匀。采用球磨混合和熔盐法结合方法可制备出粒径为4 ～ 10μm，厚度为0.2 ～ 0.6 μm 的片状氧化铝，相比溶胶凝胶方式制得的粉体，其粒径较大、分布不太均匀2。