片状α-Al2O3的生长机理及制备技术

发布时间 | 2024-03-21 18:31 分类 | 粉体加工技术 点击量 | 262
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导读:在众多Al2O3晶型和形貌中,片状氧化铝(α-Al2O3)因其独特的性能引起了广泛关注,其鳞状结构和较大的径厚比使其具有微米和纳米材料的双重特性,还具备高熔点、大硬度、高机械强度、耐磨、耐化学侵...

在众多Al2O3晶型和形貌中,片状氧化铝(α-Al2O3)因其独特的性能引起了广泛关注,其鳞状结构和较大的径厚比使其具有微米和纳米材料的双重特性,还具备高熔点、大硬度、高机械强度、耐磨、耐化学侵蚀、抗氧化和耐热等优良综合性能,在珠光颜料、导热材料及增韧陶瓷等领域具有广泛的应用前景。随着新技术和新材料的不断涌现,对片状α-Al2O3制备方法的研究也在不断深入,以满足不断变化的需求和挑战,那么随着市场发展,片状α-Al2O3的制备、性能优化和市场应用还有哪些创新和提升的空间呢?下面就跟着小编一起来探讨一二吧。


片状α-Al2O3的形成机理

氧化铝片晶形貌是晶体内部结构的外在反映,α-Al2O3属于菱方晶系。如果按六方定位,将其三次轴作为c轴,定向以后,无论哪种取向,其(0001)晶面都为六角形状。具有六方晶体结构的α-Al2O3具有晶粒各向异性生长的习性,在一定的工艺条件下可以制备出片状形貌。


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决定的,生长速率较快的面逐渐变小或消失,而生长速率较慢的面最后则被保留下来,因此,可通过控制不同晶面生长速率来控制晶体的最终形貌。

在一般情况下,(0001)、(1010)各晶面生长速率基本一致,因此最终形成近似球形颗粒。在有促进剂存在的情况下,它不仅促进了α-Al2O3晶体的生长,还改变了其生长习性,使(0001)晶面的表面能降低,这样新生成同样面积的(0001)面比(1010)面所需的驱动力要小,因此导致(O001)晶面的扩展速率明显较快,即(1010)方向的晶体生长较快,因此氧化铝颗粒倾向于形成规则的六角形片层状颗粒,且在晶体生长的过程中片层厚度不会增加。

片状α-Al2O3的制备方法

1.熔融盐法

熔融盐法是采用一种或数种低熔点的盐类作为反应介质,通过高温煅烧生成产物的方法。将氧化物与一种或两种盐混合,在高于盐的熔点温度下烧结,在此温度下,氧化物重新排列,在盐的液态中迅速扩散,随着进一步加热,通过成核和生长过程形成片状颗粒。

熔融盐法制备的片状α-Al2O3具有较高的纯度和分散性,形态发育过程中的环境可以通过选择合适的盐来控制,因此,盐的选择是获得理想形貌粉末的关键。通常,盐的熔点要低,适合合成所需的相,在许多情况下,使用几种共晶成分来降低盐的熔点,另外,盐应具有水溶性,以便在合成后易于洗涤去除。


熔融盐法合成片状α-Al2O3过程示意图

研究者提出籽晶影响片状α-Al2O3晶粒生长的两个关键因素:①片状α-Al2O3晶粒的最大平均尺寸受熔盐和籽晶特性的限制;②添加的籽晶数量直接影响α-Al2O3片状晶粒的生长,而籽晶的含量和尺寸共同决定了籽晶的数量。因此,熔融盐法制备片状α-Al2O3时,可以通过调整晶种加入量、熔融盐用量以及煅烧的温度和时间等参数,来控制粉体的形貌,该方法也存在一些缺点,例如一些熔融盐具有毒性,其挥发物还可能腐蚀或污染炉体,另外,如何提高掺杂的均匀性也是熔融盐法制备过程中需要解决的问题。

2.固相烧结法

固相烧结法是将Al2O3在较高温度下烧结制备出片状α-Al2O3的方法。通过加入助剂降低烧结温度,最常用的烧结助剂是含氟化合物。含氟化合物加入后,氟与 Al2O3前驱体在高温下发生反应生成气态中间化合物,由于在α-Al2O3的晶胞中,(0001)及其对称晶面表面张力小,吸附气态中间化合物的能力较弱,气相传输转移的原子变少造成该晶面沿所在轴方向生长缓慢,而(1010)晶面的驱动力大,生长速率相对较快,易于形成规则的片状α-Al2O3晶体。

目前,固相烧结法因其成本低、效率高而被广泛应用于大规模生产。主要生产厂家包括日本Fujimi公司的PWA系列片状煅烧α-Al2O3、美国Micro Abrasives Corporation的WCA系列片状α-Al2O3、日本DIC株式会社的CeramNex TM AP10板状α-Al2O3等,中铝郑州研究院精细氧化铝材料厂采用固相烧结法以及独特的生产工艺制备出片状α-Al2O3系列产品,该产品颗粒尺寸均匀,分散性好,径厚比大,晶体形貌为六角平板状。


片状/六角平板状α-Al2O3

3.液相间接制备法

液相间接制备法是以可溶性铝盐或氢氧化铝为原料,在液相中沉淀或结晶后干燥得到氧化铝前驱体,再经高温煅烧完成α相转变的方法。其中前躯体制备方法有溶胶-凝胶法和水热法等。此外,液相间接制备法还可以通过掺杂不同的添加剂来调控Al2O3的性能。

以一水软铝石和氢氟酸为原料,通过溶胶-凝胶法在1100℃制备出直径大于25um 的片状α-Al2O3。在此基础上,通过控制溶胶的pH值以及凝胶中AlF3的含量,在1100℃下保温180min制得了直径为2um的板状α-Al2O3

片状α-Al2O3的应用

片状α-Al2O3因其独特的片状结构和晶体形状,综合性能佳,在多个领域具有广泛的应用前景。

1.珠光颜料

片状α-Al2O3基珠光颜料是一种高品质的无机颜料,其颜色鲜艳、色彩稳定、亮度高、耐候性强,可以用于各种涂料、塑料、橡胶、印刷油墨等产品中,增加其色彩效果和产品价值。为使其具有更好的珠光性,需要片状α-Al2O3具有较大的径厚比,同时避免孪晶和聚集,该种片状α-Al2O3主要采用熔融盐法制备。 例如德国默克公司生产的Xirallic系列珠光粉就是采用片状α-Al2O3作为基材,是默克公司的专利颜料,能够让车漆在阳光照射或直射下,呈现出非常灵动闪耀的效果,从不同角度观察还会有一定的颜色变化。


2.增强增韧材料

片状α-Al2O3在陶瓷中作为填料,可以使裂纹在基体和片状晶粒间的界面上偏转,减缓裂纹扩展的速度,增加陶瓷的强度和耐久性。此外,片状α-Al2O3还可以通过桥联作用,将裂纹两侧的颗粒连接在一起,增加陶瓷的韧性和抗冲击性。

使用片状α-Al2O3烧结的陶瓷材料不仅缓解了脆性问题,还具有非凡的能量吸收能力,可承受普通α-Al2O3陶瓷3倍撞击而保持结构完整。

3.导热填充材料

在聚合物中添加少量的片状α-Al2O3,就可以形成Al2O3网络,该网络能够把大部分热量传出,用这种复合材料制备的电子元件的寿命可以大大提高,片状α-Al2O3的直径越大,所形成网络的节点越少,导热效果就越好。


片状α-Al2O3用于导热复合材料

4.抛光材料

目前在国内市场上,仍然广泛采用SiO2磨料抛光液,与SiO2硬度较小、抛光速率低相比,片状α-Al2O3具有良好的分散稳定性和平行排列性,当用于抛光粉时,片状α-Al2O3的上下表面基本平行于被抛光材料的表面,在增加磨料与产品间的磨擦力、加快磨削速度的同时可以最大可能地避免表面下的损伤。


Fujimi片状氧化铝抛光粉产品


参考来源:

1.片状α-Al2O3制备技术及应用研究进展,王玉琪、康乐、李晓星(现代化工);

2.高温固相法制备片状氧化铝及表征,赵燕禹、胡兴兰、张志鸿(无机盐工业)。


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