中國粉體網(wǎng)訊 超細(xì)粉體的粒徑和形貌對它們的物理和化學(xué)性能有很大的影響，其形貌基本上決定了粉體的整體和表面特性。此外，粉體的結(jié)構(gòu)形貌特征包括粉體的形狀、化學(xué)組成、物料組成、內(nèi)外表面積、體積和表面缺陷等，它們一起決定超細(xì)粉體的綜合性能。
超細(xì)氧化鋁粉體的結(jié)構(gòu)形貌要求因用途而異，例如粒度細(xì)小、且形貌為球形的超細(xì)氧化鋁粉體適合制備陶瓷材料；而片狀超細(xì)氧化鋁粉體是鋁酸鹽熒光粉的理想原料。因此在制備過程中，根據(jù)其應(yīng)用需要進(jìn)行粉體的結(jié)構(gòu)形貌控制就具有十分重要的影響。
一、氧化鋁粉體各種形貌結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
目前，人們根據(jù)氧化鋁粉體的形貌特點(diǎn)主要合成出了球形、中空球形、花狀、立方形、板狀、菱形、針狀或纖維狀等幾種氧化鋁粉體形貌。它們有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1、球形Al2O3粉體可以作為多孔Al2O3的支撐體，由于形成的孔較規(guī)則，因此易于使支撐體整體均勻化。分散的α-Al2O3球形微粒具有良好的壓制成型和燒結(jié)特性，有利于制得高質(zhì)量的陶瓷制品。
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2、中空球形粉體的顆粒上有無數(shù)的小孔，具有較大的比表面積，而催化劑載體的一個(gè)很重要的要求就是要有大的比表面積，因此這種產(chǎn)品可以作為一種優(yōu)良的催化劑載體。
噴霧干燥法作為制備中空球形氧化鋁粉體的有效方法之一，近年來得到了越來越多的重視。在噴霧干燥的干燥塔中，一粒漿滴被噴槍噴出去，在一定高度落下來，這個(gè)過程中它被干燥了。由于高溫，漿料表面迅速干燥，表面的粘合劑和微粉顆粒合在一起形成一硬殼，封閉了球體表面，而內(nèi)部水分繼續(xù)迅速氣化，形成球內(nèi)氣壓。當(dāng)氣壓達(dá)到一定時(shí)，氣體從薄弱處沖破球體爆出，使球體出現(xiàn)了一個(gè)空洞。由于表面硬殼的強(qiáng)度和球內(nèi)氣壓大小不同，其爆出力也不同，所以輕微的形成了蘋果狀，嚴(yán)重的形成了空洞狀和算珠狀。
3、花狀和立方形氧化鋁粉體可以用作催化劑載體，并且在生物材料、復(fù)合材料或用作結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，所以無論是對其合成方法還是形貌生成機(jī)理的研究都值得進(jìn)一步的探索。
4、板狀的氧化鋁粉體擁有二維平面結(jié)構(gòu)，因此具有良好的附著力、顯著的屏蔽效應(yīng)以及反射光線的能力，同時(shí)具有耐酸堿性、耐高溫、硬度高、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性高和電阻率高等諸多優(yōu)良的性能。粒徑較小、分散性良好的板狀氧化鋁粉體可以廣泛應(yīng)用于顏料、涂料、汽車面漆、熒光粉原料、化妝品、油墨及磨料等諸多領(lǐng)域。
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研究發(fā)現(xiàn)，板狀氧化鋁用作聚合物的填料時(shí)，可以增強(qiáng)其熱導(dǎo)率。在聚合物中添加一定量的板狀氧化鋁，可以形成氧化鋁網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能傳過大部分熱量。板狀氧化鋁的直徑越大，形成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)越少，導(dǎo)熱效果越好。
另外，將氧化鋁板晶作為第二相增韌劑加入到氧化鋁陶瓷中，可以起到有效增加裂紋反射和橋聯(lián)的作用，對提高陶瓷的斷裂韌性有明顯的效果，克服了一般氧化鋁陶瓷機(jī)械性能較低而制約其更加廣泛應(yīng)用的不足�？傊�，板狀氧化鋁粉體有著廣闊的應(yīng)用前景。
5、菱形氧化鋁產(chǎn)品可用作不銹鋼拋光用氧化鋁，其磨削率和出光率均好于原晶呈其它形狀的產(chǎn)品，磨粒具有自銳性，因此可作為不銹鋼拋光用氧化鋁。
6、氧化鋁纖維作為高性能無機(jī)纖維，具有良好的耐高溫、耐磨和抗氧化性能，同時(shí)還具有熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)小、抗震性能好、高模量、高塑性、高韌性、高強(qiáng)度、高絕緣性和高介電常數(shù)等突出優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于絕緣材料、纖維防護(hù)、增強(qiáng)材料等。
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二、氧化鋁粉體的微觀形貌控制
對于超細(xì)粉體的制備，粉體的高性能是生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益所在。粒子的顯微結(jié)構(gòu)特性直接決定了其最終產(chǎn)品的應(yīng)用性能，粒子的微觀形貌控制顯得尤為重要。實(shí)現(xiàn)對粉體形貌的控制是一項(xiàng)復(fù)雜的工藝，涉及到固體化學(xué)、界面反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)等多領(lǐng)域?qū)W科。
從本質(zhì)上講，控制納米粒子的形貌就是控制晶體生長的動(dòng)力學(xué)。因?yàn)榫w的形態(tài)取決于不同晶相面的生長速率，而晶體某一表面的生長程度一方面受晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷控制，另一方面也受周圍環(huán)境條件的控制。因此可以從兩個(gè)角度出發(fā)對納米粉體進(jìn)行形貌控制。
如果在晶體的形成過程中，添加一些能選擇性作用于微晶表面的表面改性劑，就可以調(diào)節(jié)晶體不同晶軸上的生長速率，從而達(dá)到控制納米粒子形貌的目的。同時(shí)，還可以通過改變結(jié)晶過程中周圍環(huán)境條件的諸多因素，如溶液的pH值、溫度、離子強(qiáng)度、溶劑或有機(jī)添加劑、反應(yīng)物配比等，以達(dá)到控制納米粒子形貌的目的。
1、添加劑對粉體微觀結(jié)構(gòu)的影響
Al2O3的微觀結(jié)構(gòu)特別是晶粒的形貌對Al2O3陶瓷的性能有很大的影響。所以尋求新的添加劑來改善Al2O3晶粒的形貌一直是人們研究的目標(biāo)之一。合適的添加劑不僅影響著顆粒的形貌和大小，同時(shí)還能夠促進(jìn)氧化鋁的α相轉(zhuǎn)化，但不同添加劑的作用明顯不同。添加劑產(chǎn)生的影響主要?dú)w結(jié)為生長晶面對添加劑的吸附作用，從而導(dǎo)致了晶體生長速率的變化，而最終反映到晶體形態(tài)上；其次是添加劑在溶液中活躍的程度。目前，添加劑對粉體微觀結(jié)構(gòu)的影響作用機(jī)理研究還一直停留在初級(jí)階段，缺乏較為深入的研究。
2、水解和凝膠工藝對粉體微觀結(jié)構(gòu)的影響
在液態(tài)沉淀過程中影響粒子形貌的因素包括過飽和度、流體動(dòng)力、反應(yīng)時(shí)間等。在溶液中，晶體生長率最小的慣習(xí)面決定了晶體生長的形貌。溶劑與沉淀物的相互作用決定了最低能量面，并且晶粒生長的動(dòng)力條件對影響晶體形貌的慣習(xí)面生長產(chǎn)生作用。
在水解過程和凝膠過程中溫度的控制將會(huì)影響粉體的形貌。當(dāng)反應(yīng)溫度較高時(shí)，成核速度和生長速度都相應(yīng)增快。晶體經(jīng)常發(fā)育成細(xì)長的柱狀、針狀和鱗片狀的集合體，有時(shí)甚至生長成具有特殊形狀的骸晶，這是由于晶體在極不平衡的狀態(tài)下生長，晶體的界面上具有較大的表面能，自身亦不穩(wěn)定，結(jié)果沿著某些晶棱或頂角方向生長而成骸晶。如果晶體在近于平衡狀態(tài)下生長，生長速度比較緩慢，一般情況下都可以使晶體獲得比較完整的結(jié)晶多面體。
Al2O3的各向異性表現(xiàn)在C軸上的生長速率變化遠(yuǎn)大于其余兩個(gè)坐標(biāo)軸。也就是說當(dāng)溫度較高、整體生長速率較大時(shí)，C軸上的生長速率較整體生長速率更大，這時(shí)容易形成棒狀、針狀的粒子；當(dāng)進(jìn)行冰水浴，整體生長速率較小時(shí)，C軸上的生長速率與整體生長速率相差不大，這時(shí)容易形成球形的顆粒。
在Al2O3納米晶粒的生長過程中，當(dāng)對得到的膠體進(jìn)行長時(shí)間較高溫度的凝膠時(shí)，較高的溫度有助于Al2O3納米顆粒的微觀熱運(yùn)動(dòng)，加之尺寸極小的Al2O3納米粒子的表面能非常高，通過較長的反應(yīng)時(shí)間有利于其納米微晶的重新取向、排列。結(jié)果便是很多球形的Al2O3納米粒子相互靠近，在某個(gè)統(tǒng)一的晶面上結(jié)合、排列，最終形成較大的片狀結(jié)構(gòu)。
3、干燥方法對粉體微觀結(jié)構(gòu)的影響
根據(jù)科研人員的研究表明，使用相同的原料、表面活性劑和制備方法，而干燥方法不同時(shí)，所得到的氧化鋁粉體的形貌大不一樣。采用室溫自然干燥時(shí)，溶劑從表面慢慢的蒸發(fā)，使各顆粒有充分的時(shí)間相互接觸，通過表面活性劑的作用使各粒子交聯(lián)起來，由于是靜止的干燥，就形成了片狀的結(jié)晶或堆積體。
采用自制的簡易噴霧裝置干燥時(shí)，將溶膠的稀釋液噴成細(xì)小的小液滴，小液滴在下落的過程中干燥，表面進(jìn)行收縮，但是在此過程中并沒有將樣品完全干燥，在樣品到達(dá)接料皿后，繼續(xù)蒸發(fā)表面的溶劑，由于存在表面活性劑，在溶劑蒸發(fā)時(shí)，表面活性劑將氫氧化鋁交鏈在一起，形成長鏈，表面溶劑蒸發(fā)完全后，借助表面活性劑的作用就形成了長條形的氫氧化鋁。但是也會(huì)有部分不能交鏈，就形成了類液滴形狀的圓球形。
4、煅燒工藝對粉體微觀結(jié)構(gòu)的影響
（1）溫度的影響
在不同的溫度下煅燒，可以得到不同形貌的粉體。研究人員在制備納米纖維狀A(yù)l2O3粉體時(shí)，經(jīng)500℃煅燒后的粉體的微觀結(jié)構(gòu)為微張的纖維網(wǎng)狀；當(dāng)煅燒溫度升至1200℃時(shí)，試樣不再呈現(xiàn)纖維狀，而轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐巍＿@是由于纖維狀物體的表面能較高，隨著溫度的升高，它將向能夠降低表面能的球體過渡。
（2）操作制度的影響
操作制度也影響著Al2O3粉體的形貌和粒度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道：煅燒工藝中加入晶種或氧化鋁膠體是降低氧化鋁α相變溫度的最常用、有效的方法。所選用的晶種除α-Al2O3外，還可以是α-Fe2O3、α-Cr2O3及MgO等，它們具有與α-Al2O3相同或相似的晶體結(jié)構(gòu)，否則對α相變沒有影響或影響甚微。
三、展望
由于粉體尺寸和形貌等因素對材料特性及其應(yīng)用具有重要影響，因此對無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)控制研究已引起人們的極大興趣。目前，納米氧化鋁制備過程中仍存在著晶型、大小和形貌難以控制等問題，制約著納米氧化鋁的應(yīng)用及發(fā)展。實(shí)現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)控制不僅要求充分發(fā)揮材料的本征性質(zhì)，還需要通過對無機(jī)材料的尺寸和形貌控制來對其性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。納米氧化鋁的制備技術(shù)及粉體的微觀結(jié)構(gòu)控制在眾多科研工作者的努力下預(yù)計(jì)不久將會(huì)產(chǎn)生新的突破，從而使其在工業(yè)生產(chǎn)及許多高科技尖端行業(yè)中開辟出更加廣闊的應(yīng)用前景。
參考來源：
種麗娟.精細(xì)結(jié)構(gòu)氫氧化鋁、氧化鋁粉體制備及性能表征
康健.添加劑對氧化鋁粉體微觀結(jié)構(gòu)影響研究
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