在硫酸盐熔盐中氧化物对氧化铝物相的影响＊

2012-08-02马小玲谭宏斌

陶瓷 2012年12期

马小玲谭宏斌

（陕西理工学院材料学院陕西汉中 723003）

前言

氧化铝是一种常见的陶瓷材料，具有高熔点、高硬度、高强度、耐腐蚀性和低成本的特点，可用作高硬度研磨材料、陶瓷材料和耐火材料等［1］。氧化铝主要有α－Al2O3、β－Al2O3、γ－Al2O33种晶型。α－Al2O3（刚玉型）可以在任何温度下稳定存在，其它晶形均为过渡相或不稳定相。α－Al2O3的熔点为2 050℃，硬度为8.8，密度为3.97g／cm3。α－Al2O3属于三方晶系六方紧密堆积构型，在自由的生长环境中结晶，晶体能沿着c轴生长时，可生长出表面非常平坦的片状晶体［2］。

片状氧化铝不仅熔点高、硬度大，还具有较高的机械强度和易分散的特点，可作为金属、陶瓷和玻璃基复合材料的增强相，提高复合材料的弹性模量、韧性和强度［3］。研究发现，用片状氧化铝增强的陶瓷基复合材料较用颗粒氧化铝增强的陶瓷基复合材料的断裂韧性高，由于片状氧化铝在基体中产生桥接作用，提高了材料的韧性［4］。制备片状氧化铝的方法主要有水热法，高温烧结法和熔盐法。水热法的制备工艺较复杂，原材料的价格较高。高温烧结法的制备工艺温度要求较高，一般为1 900℃，同时对设备要求也较高。熔盐法制备工艺简单，原材料成本较低，适合片状氧化铝的制备。

本课题组以粉煤灰和硫酸铝为原料，在硫酸钠熔盐中制备了片状氧化铝［2］。粉煤灰中含有较多的氧化钙和氧化硅，因此笔者研究了加入氧化钙和氧化硅对氧化铝物相的影响。

1 实验

在陶瓷坩锅中放入氢氧化铝（Al（OH）3），在500℃预烧1h，在预烧后的试样中加入70%的硫酸钠－硫酸钾（2种熔盐的质量比为1∶1）和片状氧化铝成核剂，在配制好的溶液中再分别加入10%的氧化钙和氧化硅，并加入少量的水将其混合均匀，将得到的试样在60℃烘干，再于1 000℃煅烧4h，随炉冷却。将煅烧后的试样用蒸馏水洗去多余的盐，烘干备用。

用XRD（DX－2500型，丹东方圆仪器有限公司生产）分析试样的物相，用SEM（JSM－6390LV型，日本电子株式会社生产）观察试样的形貌。

2 结果与分析

将加入氧化钙、氧化硅和未加入氧化物的试样，分别于1 000℃保温4h，用蒸馏水洗涤后的XRD图谱，如图1所示。

从图1可以看出，加入氧化钙（图1（a））和加入氧化硅（图1（b））试样的物相均为非晶相氧化铝，未加入氧化物试样的物相为α－Al2O3（图1（c））。

氢氧化铝在500℃预烧后，其物相为非晶相氧化铝。在本实验体系中，硫酸钠和硫酸钾的熔点分别为884℃和1 069℃，这2种熔盐的最低共熔点低于884℃。试样中熔盐的加入量为70%，在1 000℃保温时，试样中的液相含量较多。非晶相氧化铝首先在硫酸钠－硫酸钾熔盐中熔解，得到含铝的熔盐，进而随着氧化铝的不断熔解，在熔盐液相中铝的含量大于其过饱和浓度时，在成核剂的作用下，液相中的铝容易以α相析出。

图1 不同试样的XRD图谱

但在试样中加入氧化钙和氧化硅后，在相同条件下，试样的物相为非晶相的原因为：试样在煅烧前、加水后，得到硫酸钠和硫酸钾的溶液，氧化钙易溶于硫酸盐溶液中，得到Ca2＋，Ca2＋易均匀分布于非晶相氧化铝的空隙中。本实验中氧化硅以硅酸钠的形式加入，硅酸钠溶于水，也易均匀分布于非晶相氧化铝的空隙中。在试样煅烧时，钙和硅均将阻碍氧化铝在熔盐中熔解，使氧化铝以非晶相的形式存在。未加入氧化物的试样经煅烧、洗涤后的SEM照片如图2所示。从图2可以看出，α－Al2O3颗粒的形貌为较规整的六边形片状，片的边长为6～12μm，厚度为1～2μm。

图2 未加入氧化物试样的SEM照片

α－Al2O3倾向于形成片状晶相的原因可能是液相主要吸附在（0001）晶面上，使（0001）晶面的表面能降低。这一方面导致生成同样面积的（0001）面所需的驱动力比生成（1010）面所需要的驱动力要小，另一方面导致其对氧化铝分子的吸引力减小，从而使［101·0］方向的生长速率明显大于［0001］方向（α－Al2O3晶体生长示意图如图3所示［5］）的生长速度。在本实验中，熔盐的加入量为70%，为α－Al2O3提供了自由的生长环境，则生长基元Al－O6八面体在相互联结时完全遵循鲍林规则，最终以最稳定的共顶方式联结，形成规则的六角形片状晶体。