氧化铜为助熔剂制备硼酸铝晶须*

田 阳 刘宇舟 王 东 张 亮 谭宏斌

(陕西理工学院材料学院 陕西汉中 723000)

氧化铜为助熔剂制备硼酸铝晶须*

田 阳 刘宇舟 王 东 张 亮 谭宏斌

(陕西理工学院材料学院 陕西汉中 723000)

利用H3BO3和Al(OH)3为原材料，CuO为助熔剂制备硼酸铝9Al2O3·2B2O3晶须。经研究发现，试样在1 350℃煅烧6 h，试样的物相为硼酸铝相。以CuO为助熔剂制备的硼酸铝晶须，其直径较均匀为1～5μm，长度为10μm。

助熔剂 硼酸铝 晶须 形貌

前言

晶须是一种高纯度单晶生长而成针状纤维材料，一般是在人工控制条件下以单晶结构形式生长所得，其直径比较小。在晶须结构中，原子排列高度有序，缺陷含量比较少。晶须的强度比较高，是一种高性能的复合材料增强相［1］。常用的晶须材料有碳化硅和氮化硅晶须，但其价格比较贵，而硼酸铝的价格便宜，其性能可以和碳化硅、氮化硅相媲美。

硼酸铝晶须相对密度为2.93 kg/m3，熔点为1 440℃，耐热温度为1 200℃，莫氏硬度为7，具有较高的弹性模量，良好的机械强度，稳定的化学性能、电绝缘性和中子吸收性能，其拉伸强度为7.84 GPa，拉伸弹性模量为392 GPa［2～3］。硼酸铝晶须经常作为特种工程塑料和铝基轻合金的增强相，它在高温过滤器，马达轴承，航空、航天部件，各种耐火材料和防火涂层材料上具有广泛的应用前景［4］。

制备硼酸铝晶须的方法有助熔剂法、气相法、熔融法和液相生长法等。在其制备方法中，助溶剂法工艺简单，是制备硼酸铝晶须的常用方法。由于液相B2O3粘度较大，流动性差，不利于9Al2O3·2B2O3晶须的生长，添加助熔剂可降低B2O3液相粘度，提高液相流动性，并促进晶须的生长［5～6］;添加助熔剂，可使试样的最低共熔点和晶须的制备温度降低，节约能源，降低成本。笔者用氧化铜作为助熔剂，来制备硼酸铝晶须。

1 实验

将硫酸铜(分析纯，北京晨光化学厂)在650℃煅烧3 h，得到氧化铜。取一定量硼酸(分析纯，天津市化学试剂六厂)、氢氧化铝(分析纯，天津市河东区红岩试剂厂;硼酸与氢氧化铝的摩尔比为4∶9)，再分别加入3%氧化铜后，混合均匀。

采用万能材料试验机(WAW－300B型长春智能仪器设备有限公司)将混合粉末压制成(压力为200 MPa)50 mm×20mm×20mm的试条，将试样在1 350℃煅烧6 h，随炉冷却。将煅烧后的试样，在沸水中煮8 h后，过滤、烘干，用XRD(DX2500型，丹东方圆仪器有限公司)分析其物相，用SEM(JSM－6390LV型，日本电子株式会社)观察其形貌。

2 结果与讨论

将Al(OH)3、H3BO3和CuO混合均匀，试样在1 350℃煅烧6 h，用沸水洗涤后其XRD图谱如图1所示。

图1 试样的XRD图谱Fig.1 XRD patterns specimen

从图1可以看出，添加氧化铜的试样，物相为9Al2O3·2B2O3。生成晶须的化学反应为：

图2 B2 O3－Al2 O3相图Fig.2 Phase diagram of B2 O3－ Al2 O3 binary system

上述反应的ΔH=176 kJ/mol，因此该反应为强吸热反应，升高煅烧温度有利于晶须的生成［7］。B2O3的熔点(445℃)较低，在晶须的生成过程中，容易挥发。因此，本实验中加入过量的B2O3、硼酸与氢氧化铝的摩尔比为4∶9，将体系组分点选在AB段(Al2O3－B2O3相图，见图2)以抵消蒸发损失。

从图2可以看出，9Al2O3·2B2O3晶须可在1 440℃以下生成，保温结束后随着温度的降低，溶液过饱和，继续析出晶须。当温度降至1 050℃时，反应9Al2O3·2B2O3+L—→2Al2O3·B2O3发生，得到粒状 2Al2O3·B2O3。在温度接近1 050℃时，加快降温速度，可减少2Al2O3·B2O3颗粒的生成［7］。

图3 CuO为助熔剂的试样SEM照片Fig.3 SEM images of the CuO as fusing agent specimen

以CuO为助熔剂的试样SEM照片如图3所示。从图3可以看出，硼酸铝晶须的大小不均匀，晶须的直径为1～51μm，其最大长度为10μm。主要原因为：B2O3的熔点为450℃，而CuO的熔点较低(1 026℃)，在较高的反应温度时，试样体系中的液相粘度较低，液相较多，因此硼酸铝晶须沿a轴与b轴生长比较容易，其直径较大。

3 结语

以CuO为助熔剂，在1 350℃煅烧6 h后，试样的物相为硼酸铝9Al2O3·2B2O3。以CuO为助熔剂制备的硼酸铝晶须的直径较均匀，为1～5μm，长度为10μm。

1 戴静，王敏，张金才.硼酸盐晶须在复合材料中的应用.化工矿物与加工，2005(10)：36 ～38

2 李武.硼酸铝晶须的性质、制备和开发前景.盐湖研究，2000，18(3)：40 ～43

3 陈若愚，夏树屏，高世扬.硼酸铝晶须合成机理的研究.化学研究与应用，2001，13(5)：513 ～516

4 陈若愚，王国平，刘小华.硼酸铝晶须的制备和表征.化工矿物与加工，2002(8)：10～12

5 王湃，孙铁军.硼酸铝晶须的应用与制备.无机盐工业，2006，38(10)：16 ～17

6 Peng LM，LiX K，LiH，etal.Synthesis andmicrostructural characterization of aluminum borate whiskers.Ceramics International，2006，32：365～368

7 黄浩，钟辉，彭时利.助熔剂法制备硼酸铝晶须的方法与机理.矿产综合利用，2009(1)：32 ～35

Preparation of Alum inum Borate by Using Copper Oxide as Fusing Agent

Tian Yang，Liu Yuzhou，Wang Dong，Zhang Liang，Tan Hongbin(School of Materials Science and Engineering，Shaanxi University of Technology，Shaanxi，Hanzhong，723000)

The aluminum borate(9Al2O3·2B2O3)whiskerswas prepared by using Al(OH)3and H3BO3as rawmaterials，CuO as fusing agent.The resulted indicated aluminum borate was obtained by sintering sample at 1 350 ℃ for 6 h.The aluminum borate whiskers were obtained with 1～5μm in diameter，10μm in length.

Fusing agent;Aluminum borate;Whiskers;Morphology

TQ174.75

A

1002－2872(2011)11－0020－02

田阳(1991－)，本科，主要从事无机材料的研究。E－Mail：t－h.b@163.com