納米氧化鋁粉體制備及燒結(jié)工藝簡介

　　納米陶瓷具有大量的晶界，在應力作用下，會產(chǎn)生晶界滑移，有望在相對低的溫度下具有大的塑性。通過晶界滑移，能極大消耗應變能，所以納米陶瓷還具有較大的韌性。氧化鋁是工業(yè)界應用最多的一種陶瓷材料，所以制備出氧化鋁納米陶瓷在工業(yè)上有很大的意義。

　　制備納米氧化鋁陶瓷主要從兩個方面出發(fā)：首先是制備出團聚少或者無團聚的，具有較高燒結(jié)活性的納米氧化鋁粉體，用分散性好，甚至單分散的納米粉體所制備的陶瓷坯體，氣孔分布均勻，易于實現(xiàn)低溫致密化而不發(fā)生晶粒的嚴重長大。其次是改變傳統(tǒng)燒結(jié)工藝，除了使用性能良好的納米粉，可供選擇的途徑還有選擇適當?shù)奶砑觿┖筒捎眯滦偷臒Y(jié)方法等，其主要機制是升溫快、高溫時間短和抑制晶粒的長大。由于氧化鋁需要在較高的溫度下才能燒結(jié)，而氧化鋁的晶界能很高，極易導致晶粒的異常長大，因此在燒結(jié)過程中如何控制晶粒的生長很關(guān)鍵。

　　下面將為大家介紹目前常用的納米氧化鋁粉體的制備方法及燒結(jié)手段。

一、納米氧化鋁粉體的制備

　　目前納米粉體的合成已取得很大的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的新工藝，其制備方法主要以溶膠-凝膠法、沉淀法、微乳液法和爆炸法為主。下文將以如上幾個方法為線索，對納米氧化鋁相應的制備工藝做簡介。

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1、溶膠-凝膠法

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　　溶膠-凝膠法制備納米氧化鋁粉體的基本原理是將前驅(qū)物(無機鹽、金屬醇鹽或其他有機化合物)溶解于某種溶劑中，在一定溫度和酸度下與水發(fā)生反應，經(jīng)水解和縮聚過程而形成均一穩(wěn)定的溶膠，然后經(jīng)過陳化轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，凝膠在真空狀態(tài)下低溫干燥，可得到氫氧化鋁的超細粉，再經(jīng)高溫煅燒處理，即可得到納米氧化鋁粉末。

　　溶膠-凝膠法是目前在氧化物納米粉制備中研究和應用較多的一種方法，作為一種濕化學合成方法，具有設備簡單，工藝易于控制，粉體純度和均勻度高，成本低等優(yōu)點。

　　熱處理很關(guān)鍵：在2017年粉體圈氧化鋁專題會議上，連連化學的報告“熱處理過程對溶膠-凝膠法納米氧化鋁顆粒形貌和晶相的影響”中提及熱處理溫度對氧化鋁晶型及晶粒的影響，有提到想要獲得全部γ-Al2O3氧化鋁相，熱處理溫度必須控制在900℃；要想獲得θ-Al2O3，熱處理溫度必須控制在900℃-1000℃；要想獲得α-Al2O3，熱處理溫度必須控制在1000℃以上；晶粒的大小也可以通過熱處理溫度來控制。

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2、沉淀法

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　　沉淀法是在溶液中加入適當?shù)某恋韯┑玫教沾汕膀?qū)體的沉淀，再經(jīng)過濾、洗滌、干燥、煅燒等工藝，得到納米陶瓷粉末。沉淀法操作簡單、工藝流程短、成本低，但制備過程中影響因素較多，如溶液的組成、濃度、溫度和時間等，且不易形成分散粒子。為了解決制粉過程中形成的硬團聚，研究人員將超聲波與沉淀法相結(jié)合，制得了平均粒徑為12nm的氧化鋁超細粉末。

　　選用不同的沉淀劑會得到不同粒徑的納米粉體。研究人員以Al(NO3)3為原料，(NH4)2CO3為沉淀劑，得到粒徑為40~50nm的氧化鋁粉體；而以等同樣以Al(NO3)3為原料，但沉淀劑改為NH4HCO3，得到納米氧化鋁粉體粒度均勻、分散良好，平均粒徑為20nm。

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3、微乳液法

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　　微乳液法是使互不相溶的兩種溶液中的一種以微小液滴(水相)的形式分散于另一相中形成乳狀液(W/O型)，然后用乳狀液中的水相作為氧化物或氫氧化物微粒生成的微反應器，發(fā)生沉淀反應，產(chǎn)生的微粒經(jīng)洗滌、干燥、煅燒得到納米氧化鋁粉。整個過程一般包括微乳液體系的制備，氫氧化鋁凝膠的制備，以及這兩種體系混合后利用超聲波振蕩分散成均勻透明的微乳液，然后調(diào)pH值直至生成含水納米氧化鋁沉淀。

　　微乳液法得到的粒子粒徑小、分布均勻、穩(wěn)定性高、重復性好，但由于產(chǎn)品粒子過細，固液分離難進行，抽濾和離心效果不好。

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4、爆炸法

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　　爆炸法作為一種新的物理作用手段被引入了納米氧化鋁粉體的制備，它是將前驅(qū)物與炸藥混和，經(jīng)過引爆，利用爆炸過程中產(chǎn)生的高能量合成納米氧化鋁粉。

　　非常規(guī)的爆炸法與常規(guī)制取納米氧化鋁的方法相比，具有工藝過程簡單，易于操作，實驗的器材、原料都十分簡單，設備及生產(chǎn)成本相對低廉，合成反應速度快和易放大產(chǎn)量，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點，因此，越來越多的研究者開始利用該方法來制取納米材料。

二、納米氧化鋁陶瓷的燒結(jié)

　　以下介紹了納米氧化鋁的燒結(jié)方法，這些方法都是通過采用新的加熱或加壓方式，達到促進致密化、控制晶粒生長的目的。

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1、熱壓燒結(jié)

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　　熱壓燒結(jié)是在高溫下加熱粉體的同時施加單向軸應力，使燒結(jié)體的致密化主要依靠外加壓力作用下而完成物質(zhì)的遷移。

　　熱壓燒結(jié)可分為真空熱壓燒結(jié)、氣氛熱壓燒結(jié)和連續(xù)熱壓燒結(jié)等。熱壓燒結(jié)與常壓燒結(jié)相比，燒結(jié)溫度低得多。就氧化鋁而言，常壓下的普通燒結(jié)，必須燒至1800℃，而熱壓(20MPa)只需燒至1500℃左右。另外，由于在較低的溫度下燒結(jié)，就抑制了晶粒的生長，所得到的燒結(jié)體致密、晶粒較細、氣孔率低、強度較高。

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2、鍛壓燒結(jié)

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　　鍛壓燒結(jié)是一種與熱壓燒結(jié)相似的燒結(jié)方法。和熱壓燒結(jié)一樣，鍛壓燒結(jié)也是在加熱粉體的同時施加一定的壓力，不同的是鍛壓燒結(jié)中樣品先要成型，而燒結(jié)中不使用模具限制樣品的徑向形變。由于沒有模具的受壓限制，鍛壓燒結(jié)可以在比熱壓燒結(jié)高得多的壓力下進行，且燒結(jié)溫度可以更低。

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3、熱等靜壓燒結(jié)

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　　熱等靜壓燒結(jié)是對坯體加熱同時對其施加各向均衡的氣體壓力，可在較低的溫度下制備出微觀結(jié)構(gòu)均勻、晶粒較細且完全致密的材料，并且可以獲得復雜形狀的物件。但熱等靜壓燒結(jié)需要對素坯進行包封或者預燒結(jié)，壓力條件比較苛刻，因此實際應用操作比較困難。

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4、微波燒結(jié)

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　　在微波燒結(jié)時，材料將吸收的微波能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子的動能和勢能，使粒子的動能增加，燒結(jié)活化能降低，擴散系數(shù)提高，從而促進材料的致密化過程，因此晶粒還來不及長大就已經(jīng)被燒結(jié)致密化，這對于抑制晶粒的長大是很有效的。

　　相比之下，傳統(tǒng)燒結(jié)時熱量是通過對流、傳導和輻射傳遞的，熱量是由外到內(nèi)，達到完全致密化的時間長，所以很容易導致晶粒的長大。運用微波燒結(jié)工藝可以在比常規(guī)燒結(jié)溫度低100~150℃，僅用10~15min即可燒結(jié)獲得納米氧化鋁陶瓷，且相對密度達到99%。

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5、放電等離子燒結(jié)

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     SPARKPLASMASINTERING（ SPS）放電等離子燒結(jié)是一種粉末快速固結(jié)的新型技術(shù)。SPS通過瞬時產(chǎn)生的放電等離子使燒結(jié)體內(nèi)部每個顆粒均勻地自身發(fā)熱和使顆粒表面活化，升溫、降溫速率快，保溫時間短，因而具有非常高的熱效率，在較低的溫度和比較短的時間就可以得到高質(zhì)量的燒結(jié)體。

     SPS最大程度的縮短了實驗時間及能耗，同時又完美的保持了材料的微納結(jié)構(gòu),所得的燒結(jié)樣品晶粒均勻、致密度高、力學性能好，因此自誕生以來，迅速成為了科學研究、新材料研發(fā)、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域的重要利器。