片状氧化铝粉体的合成与表征

武志富，陈振兴，蒋荣兴，罗保国，燕云程

(百色学院 材料科学与工程学院，广西 百色 533000)

片状氧化铝粉体的合成与表征

武志富，陈振兴，蒋荣兴，罗保国，燕云程

(百色学院材料科学与工程学院，广西百色533000)

研究了硝酸铝和碳酸氢铵在尿素作用下合成片状氧化铝粉体的方法。讨论了片状氧化铝粉体的形成机理以及制备过程中的各种影响因素。通过XRD，SEM对产物进行表征，结果表明尿素有效控制了片状氧化铝颗粒的大小和形貌，并改善了片状氧化铝粉体的结晶，进而完善α-Al2O3的晶化。

片状氧化铝；应用；制备；控制合成；表征；形成机理

0 引言

纳米氧化铝材料具有很高的硬度和化学稳定性，被广泛应用于生物陶瓷、精密陶瓷、稀土三基色荧光粉、航空光源器件、化工催化剂、集成电路芯片等领域[1]。在诸多形貌的氧化铝产品中，片状氧化铝具有良好的活性和表面附着性，能和活性基团结合，扩散而不团聚，反射光线的能力较强，具有屏蔽效应[2]。片状氧化铝合成方法很多，例如溶胶-凝胶法、熔盐法[3]、水热法[4-6]、涂膜法[7-8]、熔盐和溶胶-凝胶结合法等[9]。其中溶胶-凝胶法是以氧化铝作为前驱体，前驱体制备原料为可溶性铝盐或氢氧化铝，在液相中沉淀或结晶，干燥后得到；再经过1 200 ℃高温进行煅烧完全转化为α-Al2O3纳米颗粒。该方法所制得的纳米α-Al2O3是一种较为理想的晶体结构类型，通过扫描电子显微镜及X射线衍射分析，并未发现其它的相或杂质[10]。Richard F.Hill等[11]通过溶胶-凝胶法制得了直径大于25 μm的片状α-Al2O3，其中他所使用的原料为一水软铝石和氢氟酸，条件是在1 100 ℃高温下。在这基础上，周振君等[12]通过控制溶胶的pH值与凝胶中AlF3的含量，在1 100 ℃下保温180 min制得了直径为2 μm的片状α-Al2O3。溶胶-凝胶法是一种湿化学合成方法。该方法制备粉体具有许多优点，例如：设备简单、制得粉末纯度及均匀度高、工艺易于把控、且成本低等。不仅如此，溶胶-凝胶法在涂层方面具有很大的优越性，例如：用溶胶-凝胶法制备的氧化硅(SiO2)涂层，可以用来提高金属材料的耐腐蚀、耐磨损、耐热性能等[13]。本实验采用溶胶-凝胶法合成。

1 实验

1.1 仪器与试剂

仪器：X射线衍射仪D-MAX-2006(日本理学株式社理学公司)；扫描电镜(SEM)SU5000(天美中国科技有限公司)；电子分析天平AR224CN(奥豪斯仪器有限公司)；箱式电阻炉SX2-8-10N(上海跃进医疗器械有限公司)；程序控温管式电阻炉SK-5-13(湘潭市三星仪器有限公司)；数显式电热恒温水浴锅(上海跃进医疗器械有限公司)。

试剂：硝酸铝(天津市科密欧化学试剂有限公司)；氨水；碳酸氢铵(国药集团化学试剂有限公司)；乙醇；尿素(国药集团化学试剂有限公司)。

1.2 前驱体的制备

采用将铝盐溶液滴加入碳酸氢铵溶液中的方法，其沉淀反应过程为：

Al3++4NH4HCO3=NH4Al(OH)2CO3↓+3CO2+H2O+3NH4+

1.2.1 实验过程

按硝酸铝与碳酸氢铵的摩尔质量比为1∶ 4制备Al(OH)前驱体800 ℃下烘干。将前驱体分为5份，1号样品不加入任何添加剂，2号样品也不加入任何添加剂，3号样品加入10%的尿素，4号样品加入20%的尿素，5号样品加入30%的尿素；将2，3，4，5号样品放入程序控温管式电阻炉进行煅烧，煅烧温度为1 200 ℃，煅烧时间为2 h；200 ℃保温12 h。在煅烧过程中样品发生热分解，生成氧化铝的同时释放出二氧化碳，水蒸气与氨气。

2 结果与讨论

2.1 氧化铝物相结构

图1为1号样品的X射线衍射图(XRD)，此样品即不加入任何添加剂也不进行煅烧，只进行800 ℃的烘干。从XRD图可以看出样品1为γ-Al2O3。图2为2号样品的XRD图，此样品是不加入添加剂的前驱体经过1 200 ℃高温的煅烧得到的氧化铝粉末，x分别为25.5，35.1，37.8，43.3，52.5，57.5，66.5，68.1，对照PDF卡片与标准的衍射峰一致，所以为α-Al2O3，但晶化不是很完善。图3是加入尿素添加剂样品的XRD图，加入不同质量添加剂的样品的XRD图中，衍射峰都分别为25.5，35.1，37.8，43.3，52.6，57.4，66.5，68.3，与标准的衍射峰是一致的，所以加入尿素添加剂的样品得到的产物都为α-Al2O3。

图1 无添加剂且未经煅烧样品的XRD图

图2 不加入添加剂但进行煅烧样品的XRD图

图3 加入添加剂且进行煅烧样品的XRD图

2.2 氧化铝颗粒形貌及粒径

图4中的照片a是样品1的SEM照片，不加入任何添加剂也不进行煅烧的粉末呈现结实的颗粒状态，其颗粒较大。照片b为样品2的SEM照片，不加入添加剂，但经过1 200摄氏度高温煅烧的前驱体制得的氧化铝粉末由于晶化不完善，呈现的片状形态不太明显，但仍然可以看出细小的片状颗粒。照片c，d，e分别为加入10%，20%，30%添加剂样品的SEM照片，通过照片看出，加入添加剂得到的产物呈现部分片状。

2.3 前驱体的控制

2.3.1 pH值的影响

pH值的控制对样品的生长及后期的实验效果起到了重要作用；当pH值过高时，滴定过程中则会促进铝盐溶液的水解，从而加快胶状沉淀的生成，生成速度越快反而对晶粒的长大越不利，起到了抑制的作用；pH值过高也会使滴定中生成的沉淀产生严重的团聚现象，这样煅烧后的粉末在晶粒尺寸及均匀性方面就会受到严重影响。

2.3.2 滴加速度的影响

滴定过程中是将铝盐溶液滴入碳酸氢铵溶液中，若滴加速度过快时，由于铝盐溶液呈酸性，碳酸氢铵呈碱性，则在一定区域内铝盐浓度过高，碳酸氢铵浓度相对就会变小，所以pH值降低，这样的环境不利于前驱体的生成。

2.4片状α-Al2O3生成机理分析

图5 α相氧化铝晶体的生长示意图

晶体的最终形态由各晶面的生长速度决定。加入添加剂的前驱体经过高温煅烧后得到的氧化铝通常为片状氧化铝，这是因为添加剂对氧化铝晶体各个方向的作用效果不同，则各方向的生长速度就会不一样，所得到的形态也会不同，那么就以图5进行分析；如果不加入尿素添加剂，(001)面与(010)面的表面能几乎一样，生成同样面积的各个面所需的驱动力也差不多，那么生长速度不相上下，得到的氧化铝颗粒就会倾向于块状。若加入尿素添加剂，就会降低(001)晶面的表面能，这时候(001)面与(010)面要新生长相同的面积所分配的能量就会不同，也就是说(001)面生长面积得到的能量比(010)面生长面积得到的能量低，驱动力小，则(010)面的生长速度大于(001)面的生长速度，那么得到的氧化铝颗粒就呈片状颗粒。沈仰云和沈毅等[14]认为生成片状α-Al2O3的必要条件是高温，在添加剂及高温条件结合下，氧化铝晶体在六角方向上的扩散驱动力及相变形核增强，在各方向的生长速率也会加快，则容易形成规则的六角片状颗粒。

通过以上分析及实验结果表明，添加剂的加入与否与加入量对氧化铝的生长形态起到了决定性作用，添加剂添加量的增加会使片状α-Al2O3的粒度增大[15]。

3 结论

本实验采用碳酸氢铵、硝酸铝、氨水为原料，尿素为添加剂，前驱体在800 ℃温度下烘干获得，后将添加不同质量添加剂的样本在1 200 ℃下煅烧2 h制备氧化铝。经过XRD及SEM测试后结果表明，添加剂尿素的加入可控制氧化铝粉体的团聚，促进α-Al2O3晶化，对α-Al2O3晶体的生长起到了重要作用。所以片状α-Al2O3的生成过程受添加剂尿素的影响与控制。

[1]邱枫，孙果宋.氧化铝的分类及应用[J].化工技术与开发，2016，45(1)：23-27.

[2]王玲，王千瑞，刘冲，等.片状氧化铝的发展历程与应用前景[J].陶瓷学报，2016，37(6)：608-612.

[3]王雪竹，吴锋，张明旺，等.硫酸钠熔盐制备片状α-Al2O3的研究[J].人工晶体学报，2017，46(3)：495-500.

[4]马小玲.片状氧化铝应用与制备研究[J].山东陶瓷，2011，34(6)：18-21.

[5]ADAIR James H,CHO Seung-Beom,BELL Nelson S，et al.Recent developments in morphological control of α-Al2O3particles synthesized in 1，4-butanediol solution[J].Journal of Dispersion Science amp; Technology，2001，22(2-3)：143-165.

[6]汪颖，朱世根，董威威.水热法制备纳米级片状氧化铝[J].材料科学与工程学报，2015，33(3)：401-404.

[7]张倩影，朱丽慧，刘伟，等.片状氧化铝粉体的制备及应用[J].材料导报，2007，21(5)：384-387.

[8]李素强.片状α-Al2O3颗粒粉体的制备[D].兰州：兰州大学，2009.

[9]新田胜久，陈明寿，营原淳.薄片状氧化铝和珠光颜料及其制备方法：CN1150165A[P].1997.

[10]史桂梅，黄炎.溶胶-凝胶法α-Al2O3纳米粉体的制备及表征[J].沈阳工业大学学报，2007(3)：275-277，288.

[11]陈涛，廖其龙.片状氧化铝的制备研究[J].中国陶瓷，2012，48(5)：46-48.

[12]周振君，杨正方，袁启明，等.溶胶-凝胶法合成小尺寸板状氧化铝[J].硅酸盐通报，2003(4)：11-15，45.

[13]黄传真，张树生，王宝友.溶胶—凝胶法制备纳米氧化铝粉末的研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2002(1)：22-25.

[14]江元汝，李兆，贾彩霞，等.片状氧化铝粉体的控制合成及表征[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2011，43(5)：725-729.

[15]沈毅，张庆军，桑晓明.超高温烧结条件下氧化铝板状晶体的形貌[J].河北理工学院学报，2000，22(1)：36-38.

2017-09-24

[责任编辑姚胜勋]

TheSynthesisandCharacterizationofFlakyAluminaPowderMaterials

WUZhifu，CHENZhenxing，JIANGRongxing，LUOBaoguo，YANYuncheng

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering，BaiseUniversity，Baise，Guangxi533000，China)

Flaky alumina powder materials were synthesized by using Aluminum nitrate and ammonium bicarbonate under the action of urea.And the formation mechanism of flake aluminum oxide powder and the various influence factors in the process of preparation were discussed.The products were characterized by XRD and SEM，and the results show that urea effectively control the flaky alumina particle size and morphology，improve the crystallization of flake aluminum oxide powder，and perfect the alpha α-Al2O3crystallization.

flake alumina；control synthesis；characterization；formation mechanism

TQ.174

A

1672-9021(2017)05-00050-05

武志富(1967-)，男，山西人，百色学院材料科学与工程学院副教授，博士。主要研究方向：功能纳米材料。

广西自然科学基金重点资助项目(2016GXNSFDA380024)；广西高校重点学科：材料物理与化学开放课题项目资助；百色学院材料科学与工程学院学科建设项目资助。