制備高純超細(xì)α-氧化鋁粉體的最佳方法是什么？

　　超細(xì)氧化鋁粉體由于具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度和高硬度等一系列的優(yōu)良性能，因而廣泛應(yīng)用于冶金、化工、航天、電子等高科技領(lǐng)域。自從1984年德國(guó)科學(xué)家H.Gleiter等首次制備超細(xì)納米氧化鋁粉體以來，氧化鋁粉體的制備方法一直備受人們的關(guān)注。目前，根據(jù)合成粉體的條件不同，制備超細(xì)氧化鋁粉的方法可分為氣相法、液相法和固相法。

01　氣相法

     （1）化學(xué)氣相沉積法

　　氣相法制備高純超細(xì)氧化鋁粒子是以金屬單質(zhì)、鹵化物、氫化物或者有機(jī)化合物為原料，進(jìn)行氣相熱分解或其他化學(xué)反應(yīng)來合成超細(xì)微粒，主要采用化學(xué)氣相沉積法。如意大利的科研人員利用室溫下蒸汽壓較高的烷基鋁和N2O作為反應(yīng)物，加入乙烯作為反應(yīng)敏化劑，用CO2激光加熱反應(yīng)使之反應(yīng)，合成了粒徑為15-20nm的球形α-Al2O3顆粒。

     （2）激光誘導(dǎo)氣相沉積法

　　激光誘導(dǎo)氣相沉積法是利用充滿氖氣、氙氣和HCl的激光器提供能量，產(chǎn)生一定頻率的激光，聚焦到旋轉(zhuǎn)的鋁靶上，融化鋁靶產(chǎn)生氧化鋁蒸汽，冷卻后得到超細(xì)氧化鋁粉體。這種方法加熱和冷卻的速度都快，粒徑分布均勻，反應(yīng)污染小。

     （3）等離子氣相合成法

　　等離子氣相合成法可分為高頻等離子體法、直流電弧等離子體法、復(fù)合等離子體法等。高頻等離子體法能量的利用率低，制備出的產(chǎn)物穩(wěn)定性也較差；直流電弧等離子體法是利用電弧間產(chǎn)生的高溫，在反應(yīng)氣體等離子化的過程中使電極蒸發(fā)或熔化；復(fù)合等離子體法是將前兩種方法和為一體，在產(chǎn)生直流電弧時(shí)不需電極，因而產(chǎn)物純度高，生產(chǎn)效率提高的同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

     （4）惰性氣體凝聚加原位加壓法

　　該法通常是在真空蒸發(fā)室內(nèi)充入低壓惰性氣體，通過加熱使原料氣化或形成等離子體，與惰性氣體原子碰撞而失去能量，然后驟冷使之凝結(jié)成超細(xì)粉體。不過此法成本太高，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

　　氣相法的特點(diǎn)是反應(yīng)條件可控、產(chǎn)物易精制，只要控制好反應(yīng)氣體和氣體的稀薄程度就可以得到團(tuán)聚少或不團(tuán)聚的超細(xì)粉末，顆粒分散性好、粒徑小、分布窄。但是，該方法要求原料在反應(yīng)前必須完全氣化，對(duì)于高熔點(diǎn)的產(chǎn)物，需要消耗很多能量，而且反應(yīng)中需要大量惰性氣體，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，工藝控制難度較大，另外粉體的收集比較困難，對(duì)設(shè)備的要求也較高，不宜應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

02　固相法

　　固相法是制備α-Al2O3粉體的常用方法，制備工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)量大，成本低，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。但是固相法生產(chǎn)氧化鋁粉體能耗高、效率低，制備的粉體顆粒不均且形態(tài)和功能都受到了工藝本身的很大限制，因此利用此方法很難得到顆粒細(xì)小、純度高的α-Al2O3粉體。目前，固相法主要分為機(jī)械粉碎法、非晶晶化法和熱解法等。

     （1）機(jī)械粉碎法

　　機(jī)械粉碎法是利用球磨機(jī)、行星磨、氣流磨等粉碎設(shè)備將原料直接粉碎研磨成超細(xì)粉的方法。目前應(yīng)用較多的是球磨機(jī)，通過球磨機(jī)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，為原料提供能量，使得原料受到硬球的強(qiáng)烈撞擊，粉碎成細(xì)小顆粒，從而制備出超細(xì)粉體。例如有研究人員通過球磨亞微米α-Al2O3粉體制備了粒徑為18~40nm的α-Al2O3粉體。這種方法原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但是球磨過程中容易引入雜質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品的純度產(chǎn)生影響，而且通過機(jī)械粉碎制備的氧化鋁粉體在粒度分布和形貌上還存在較多的不足之處。

     （2）非晶晶化法

　　非晶晶化法制備氧化鋁粉體的過程通常為先制備非晶態(tài)的鋁化合物，再經(jīng)過退火處理使非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)。該方法的原理：非晶態(tài)在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的狀態(tài)，有轉(zhuǎn)化為晶態(tài)的趨勢(shì)，在受熱或者輻射等條件下會(huì)發(fā)生晶化現(xiàn)象，所以通過控制一定的條件就能夠得到晶態(tài)的氧化鋁。

     （3）熱解法

　　熱解法是利用鋁鹽的過熱分解反應(yīng)來制備α-Al2O3粉體的方法，目前，最常用的是硫酸鋁銨熱解法和碳酸鋁銨熱解法。熱解硫酸鋁銨的過程會(huì)產(chǎn)生廢氣，污染環(huán)境，而且其分解工藝比較復(fù)雜，所以人們逐漸地選用碳酸鋁銨作為前驅(qū)體來制備氧化鋁。熱解碳酸鋁銨的方法相比熱解硫酸鋁銨污染小，更適合工業(yè)的生產(chǎn)，但是，利用熱解法制備氧化鋁煅燒溫度高，能耗大，對(duì)設(shè)備的要求也比較高。

　　另外，利用高溫下迅速燃燒鋁粉也能直接獲得超細(xì)α-Al2O3粉體。例如有研究者將硝酸鋁、尿素和少量糊精的混合物在馬弗爐中直接加熱點(diǎn)燃，最終獲得了泡沫狀的白色氧化鋁粉末。不過該方法設(shè)備復(fù)雜，危險(xiǎn)性高，粉末不易收集，應(yīng)用前景不是很大。

03　液相法

　　液相法是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一類方法，其基本原理是：選擇一種合適的可溶性的鋁鹽，按所制備的材料組成計(jì)量配制成溶液，再選擇一種合適的沉淀劑（或用蒸發(fā)、升華、水解等），使金屬粒子均勻沉淀，最后將沉淀或結(jié)晶物干燥脫水得到超微粉體。

　　與固相法相比，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①可以精確地控制化學(xué)組成；②納米粒子的形狀粒徑容易控制，分散性好；③產(chǎn)品的顆粒形狀、粒徑等易調(diào)控；④易添加微量有效成分，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)控；⑤所得產(chǎn)品的表面活性好。

　　制備均勻高純氧化物超微粉特別適合采用這類方法，液相法有沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液反應(yīng)法、水熱法等。

     （1）沉淀法

　　沉淀法是在金屬鹽溶液中加入適量的沉淀劑得到沉淀，再經(jīng)過過濾、洗滌、干燥和煅燒等工藝，得到超細(xì)粉體的方法。沉淀法分為直接沉淀法、共沉淀法和均勻沉淀法等。這種方法操作簡(jiǎn)單，工藝流程短，成本低，但是粒子尺寸不易控制。制備出的超細(xì)粉體性能與反應(yīng)物的混合方式、加入速度、次序以及濃度和pH值等諸多因素有關(guān)。近年來，沉淀法制備超細(xì)氧化鋁粉末主要有三種體系：硝酸鋁+碳酸銨體系、硫酸鋁銨+碳酸氫銨體系和無機(jī)鹽+尿素均相沉淀體系。

    （2）溶膠-凝膠法

　　溶膠-凝膠法是制備納米材料常用的一種方法，也廣泛地應(yīng)用于制備超細(xì)氧化鋁的工藝中。它是用有機(jī)溶劑溶解鋁醇鹽，然后蒸餾使醇鹽水解、聚合形成溶膠，再通過加入水形成凝膠，干燥后將凝膠粉高溫煅燒處理，而得到超細(xì)氧化鋁粉體的一種方法。溶膠凝膠法合成溫度低、工藝簡(jiǎn)便易控制、設(shè)備簡(jiǎn)單，制備的氧化鋁粉體具有純度高、化學(xué)均勻性好、分散性好，但溶膠凝膠法制備氧化鋁粉體有其自身的缺點(diǎn)，如果采用鋁鹽為原料，則會(huì)在反應(yīng)過程中以及后期的煅燒過程中可能產(chǎn)生腐蝕性的氣體，污染環(huán)境，而如果采用有機(jī)醇鹽為原料，則會(huì)使得制備成本高，且由于較強(qiáng)的活性而不易儲(chǔ)存。

    （3）微乳液反應(yīng)法

　　微乳液反應(yīng)法制備超細(xì)氧化鋁粉體是使Al3+溶解在水中形成微小的被表面活性劑和油相包圍著的水核，這些水核可以使氧化鋁成核、生長(zhǎng)、聚結(jié)、團(tuán)聚等過程局限在一個(gè)微小的球形液滴中，可以避免顆粒間的進(jìn)一步團(tuán)聚。這種方法的關(guān)鍵是要形成穩(wěn)定的W/O型微乳液和選擇合適的反應(yīng)條件。采用微乳液反應(yīng)法制備超細(xì)α-Al2O3粉，表面活性劑的選擇和反應(yīng)物濃度的大小是控制氧化鋁顆粒尺寸的重要因素。用此法制備的氧化鋁分散性好、結(jié)構(gòu)均勻，但需要加入表面活性劑，并且對(duì)試劑的要求也較高。

    （4）水熱合成法

　　水熱法是指在密封的反應(yīng)容器中，以水或有機(jī)溶劑為反應(yīng)介質(zhì)，通過對(duì)反應(yīng)容器加熱創(chuàng)造一個(gè)高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解或者重結(jié)晶，或使混合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來制備材料的方法。水熱法是制備陶瓷粉體的優(yōu)良方法之一，通過水熱法制備出的超細(xì)粉體具有以下特點(diǎn)：晶粒發(fā)育良好、粒徑分布均勻、尺寸小、無團(tuán)聚、無需煅燒、分散性好等。但是采用水熱合成法制備氧化鋁粉體時(shí)，水熱處理溫度需高于450℃才行，這對(duì)高壓釜的性能要求較高，難以在工藝上實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，可以添加晶種、使用有機(jī)溶劑或其他物質(zhì)以及利用水熱鹽溶液卸壓法等來制備超細(xì)氧化鋁粉體。