α-AlO形成过程显微结构演变及其调控

摘要

α-Al2O3是重要的无机非金属材料,煅烧是制备α-Al2O3的必备过程,该过程消耗大量能量。降低煅烧温度,降低能耗,提高产品中α-Al2O3含量,制备不同显微结构的α-Al2O3,为下游产品提供优质原料是该领域科研工作者孜孜以求的目标。由于显微结构对α-Al2O3的性能有重大影响,因此,揭示α-Al2O3形成过程显微结构的演变规律对于制备性能优良的α-Al2O3产品具有重要的理论及实际意义。
　　 本文采用X-射线衍射、扫描电子显微镜等分析测试手段,对氢氧化铝煅烧过程中的相变规律及氧化铝显微结构演变进行了系统研究;采用X-射线衍射定量分析方法,研究了添加剂对氧化铝相变的影响;结合扫描电子显微镜及激光粒度分析,研究了α-Al2O3晶体生长动力学;提出了α-Al2O3显微结构控制方法,由此制备了片状及类球状晶体结构的α-Al2O3,制备了低温烧结α-Al2O3及其陶瓷材料。主要研究结果如下:
　　 1.氢氧化铝脱水过程分步完成,脱水过程与氢氧化铝样品的粒度相关,粒度越小,脱水速率越快。过渡相氧化铝之间的物相转变属于位移型相变,形成α-Al2O3过程属于重建型相变。过渡相氧化铝之间转变时,显微结构基本不发生变化;当转变为α-Al2O3时,氧化铝发生明显的收缩。煅烧过程中,真密度随温度的升高而升高;松装密度随温度的升高而降低,氧化铝的比表面积在400℃左右达到最大值,然后随温度的升高而下降,氧化铝的孔径在900℃左右达到最大值,然后随温度的升高而下降。
　　 2.过渡相氧化铝到α-Al2O3的物相转变需在1300℃才能完成;Na2O和MgO对过渡相氧化铝到α-Al2O3的物相转变过程有抑制作用,含有F-和Cl-的添加剂、粉碎和加入晶种均可以促进相变过程;过渡相氧化铝与α-Al2O3含量之间存在一个相界面;样品中α-Al2O3含量随煅烧温度的提高而提高,存在一个最高相变速率点Tm。Tm大致在1150℃左右,此时样品中α-Al2O3的含量大致为20～45％。
　　 3.粉碎结合激光粒度检测是一种简单易行测定α-Al2O3一次晶体大小的方法。以固相物质输送为主要传质方式时,α-Al2O3一次晶体为蠕虫状空间网状结构;以气相为主要传质形式生长的α-Al2O3具有特定的显微结构。添加剂对α-Al2O3晶体生长的作用顺序为:NH4F＞AlF3＞H3BO3＞MgF2＞None＞MgO
　　 添加剂可以影响α-Al2O3的理论成核温度,影响的顺序为:NH4F＞AlF3＞None＞H3BO3＞MgO
　　 通过粉碎、加入NH4CL和Mg(HCO3)2添加剂等工艺,抑制α-Al2O3晶粒生长,制备了约20nm的纳米晶α-Al2O3。
　　 4.煅烧后α-Al2O3继承了氢氧化铝的基本颗粒形貌。提高煅烧温度不改变α-Al2O3的结晶习性,Na2O和MgO可以抑制α-Al2O3晶体生长;H3BO3及含有F-、Cl-、NO3-的添加剂可以促进α-Al2O3的一次晶体生长,H3BO3促进形成蠕虫状α-Al2O3结晶,含F添加剂促进形成片状α-Al2O3结晶。添加剂对α-Al2O3显微结构的影响顺序为:AlF3＞H3BO3＞NH4Cl＞MgO
　　 5.基于α-Al2O3显微结构的演变规律,通过改变添加剂的品种及其配比,可以制备出不同显微结构的α-Al2O3晶体。采用晶体模板导向剂,并选择合理的添加剂,制备了类球状、柱状、大晶体片状等特殊显微结构的α-Al2O3。通过选择合适的添加剂及烧结温度,制备了一次晶体小于0.5微米的α-Al2O3粉体。最佳的添加剂条件是0.4％MgO+0.3％NH4Cl,最佳的煅烧温度是1350℃;开发了低温氧化铝陶瓷烧结技术,最佳烧结温度为1580℃,体积密度达到3.92g/cm3。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 氧化铝的提取、分类及及晶型转变

1.1.1 氧化铝的提取方法

1.1.2 氧化铝的分类

1.1.3 氧化铝的晶体结构

1.1.4 氧化铝的晶型转变及 α-Al2O3的形成

1.2 α-Al2O3的结构、性质及应用

1.2.1 α-Al2O3的结构

1.2.2 α-Al2O3制品的性质

1.2.3 α-Al2O3的应用

1.3 α-Al2O3显微结构特征及其材料应用性能

1.3.1 α-Al2O3显微结构特征

1.3.2 α-Al2O3材料应用对其显微结构的要求

1.4 本课题的意义及主要研究内容

第二章 氢氧化铝脱水/相变过程及其物理性能演变规律

2.1 前言

2.2 实验

2.2.1 实验仪器

2.2.3 实验原料

2.2.4 实验过程

2.2.5 α-Al2O3含量测定方法

2.3 氢氧化铝原粉显微结构及物相

2.4 氢氧化铝脱水过程研究

2.5 煅烧过程中氧化铝显微结构的演变

2.6 煅烧温度对氧化铝密度的影响

2.7 煅烧温度对氧化铝表面性质的影响

2.7.1 煅烧温度对氧化铝粉体表面性质的影响

2.7.2 煅烧温度对氧化铝孔容和孔径的影响

2.8 本章小结

第三章 氧化铝物相转变及α-Al2O3晶体形成过程研究

3.1 前言

3.2 实验

3.2.1 实验过程

3.2.2 实验设备

3.3 α-Al2O3形核条件

3.4 恒温条件下的物相转变

3.5 Na2O对相变速率的影响

3.6 添加剂对过渡相氧化铝到α-Al2O3相变的影响

3.6.1 添加剂对氢氧化铝热分解过程的影响

3.6.2 F及C1的作用机理

3.6.3 MgO的作用机理

3.7 粉碎对相变速率的影响

3.8 晶种对氧化铝相变速率的影响

3.9 影响过渡相氧化铝到α-Al2O3的因素分析

3.10 本章小结

第四章 α-Al2O3晶体生长动力学研究

4.1 前言

4.2 α-Al2O3一次晶体大小的表征方法

4.2.1 电子显微镜法

4.2.2 X-射线衍射法

4.2.3 比表面法

4.2.4 粉碎法

4.2.5 一次晶体大小表征方法的比较与选择

4.3 实验

4.3.1 实验过程

4.3.2 实验设备

4.4 α-Al2O3含量与可粉碎性的关系

4.5 α-Al2O3—次晶体的生长形式

4.5.1 固相传质为主导下α-Al2O3一次晶体生长

4.5.2 气相传质主导下α-Al2O3一次晶体生长

4.5.3 混合控制下的α-Al2O3 一次晶体生长

4.6 α-Al2O3—次晶体生长动力学

4.7 纳米晶α-Al2O3粉体的制备

4.7.1 制备纳米晶α-Al2O3条件分析

4.7.2 纳米晶α-Al2O3制备实验过程

4.7.3 纳米晶α-Al2O3煅烧条件的选择

4.8 本章小结

第五章 α-Al2O3显微结构演变规律研究

5.1 前言

5.2 α-Al2O3的生长基元及其理论显微结构

5.3 实验

5.3.1 实验原料

5.3.2 实验设备

5.3.3 实验过程

5.4 氢氧化铝煅烧形成α-Al2O3的显微结构变化

5.5 煅烧温度对α-Al2O3显微结构的影响

5.6 NA2O对α-Al2O3显微结构的影响

5.7 添加剂对α-Al2O3显微结构的影响

5.7.1 H3BO3对α-Al2O3显微结构的影响

5.7.2 NH4F和AlF3对α-Al2O3显微结构的影响

5.7.3 NH4C1对α-Al2O3显微结构的影响

5.7.4 NH4NO3对α-Al2O3显微构的影响

5.7.5 MgO对α-Al2O3显微结构的影响

5.7.6 金属硝酸盐对α-Al2O3显微结构的影响

5.7.7 金属氟化物对α-Al2O3显微结构的影响

5.7.8 添加剂作用强弱的对比

5.8 本章小结

第六章 α－Al2O3显微结构调控及低温烧结氧化铝陶瓷的制备

6.1 前言

6.2 α-Al2O3显微结构演变分析

6.3 片状大晶体α-Al2O3的制备

6.3.1 实验过程

6.3.2 片状大晶体α-Al2O3的制备方法比较

6.4 类球形α-Al2O3的制备

6.4.1 类球形α-Al2O3的制备原理

6.4.2 实验过程

6.4.3 普通类球形α-Al2O3 1

6.4.4 大晶体类球形α-Al2O3的制备

6.5 柱状α-Al2O3的制备

6.5.1 柱状α-Al2O3制备原理

6.5.2 实验过程

6.5.3 柱状α-Al2O3

6.6 低温烧结氧化铝陶瓷的制备

6.6.1 氧化铝陶瓷烧结过程分析

6.6.2 实验过程

6.6.3 微晶α－Al2O3粉体制备

6.6.4 微晶氧化铝陶瓷的制备

6.7 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果