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超微超細粉碎機:簡析片狀氧化鋁的應用及其制備工藝---

發布時間:2019-08-16


氧化鋁有多種不同的類型,常規的氧化鋁與其他金屬氧化物一樣,本身的硬度大,熔點高,機械強度好,且耐腐蝕抗氧化。片狀氧化鋁還因其獨特的片狀結構和晶體形狀,從而具備了微米粉體和納米材料的雙重特性。它屬于α-Al2O3,具有明顯的鱗狀結構特征和較大的徑厚比。 目前,片狀氧化鋁晶粒的徑向尺度一般為5-50 μm,厚度一般在100-500 nm之間,晶型發育良好的微粒還表現出規則的六角形貌,目前利用超微超細粉碎機的制備工藝也正在研發試產中
示例:片狀氧化鋁的微觀形貌
一、片狀氧化鋁的性質與應用
1 、磨料拋光液
對于材料加工行業來說,無論是材料的拋光,還是電子產品的精細打磨,都離不開磨料。
氧化鋁又稱為剛玉,摩氏硬度9,具有很大的硬度,十分適合當研磨材料。而片狀氧化鋁相對于常規的納米氧化鋁,其平整光滑的片形表面對于被磨對象(如半導體硅晶片,智能手機外殼等等)來說不易劃傷,產品的合格品率可因此提高10%至15%。所以,片狀氧化鋁已經成為了高精密微電子行業,寶石加工業和金屬陶瓷行業的新寵。
圖1:片狀氧化鋁可用于手機金屬外殼拋光
2 、珠光顏料
目前使用最多的珠光顏料常用天然云母薄片造出。但天然云母薄片常含有有色雜質離子,分離較為困難,且其過厚的邊緣會使珠光顏料易發生散射現象,對其視覺效果造成不良的影響。
人工合成的片狀氧化鋁粉體,具有天然云母無法獲得的設計自由度和物理化學性能。在合成過程中,可以消除或控制雜質的引入,同時使產品具有狹窄的粒度和厚度分布,大的徑厚比,幾乎完全無色和光滑平整的表面,而且這種氧化鋁在水中具有良好的分散性。因此,它是優質珠光顏料理想的底材。
以片狀氧化鋁為基體,在其表面包覆一層或多層高折射率的金屬氧化物(如二氧化鈦、氧化鐵等),就可以制備出性能優異的珠光顏料。這種珠光顏料不但可以發揮出云母鈦珠光顏料的優點,還可以彌補其不足,充分體現珠光顏料的各種性能。而且,與云母鈦珠光顏料相比,它用較少的著色量就可達到相同的效果。
圖2: 片狀氧化鋁用于作為珠光顏料的基材
3 、 化妝品
片狀氧化鋁具有較小的粒度和厚度分布以及較大的徑厚比,它的化學性能穩定,幾乎無色而且表面光滑平整,在水中具有良好的分散性,最為重要的是,這種粉體無毒無味,因此也被廣泛應用于化妝品領域。
片狀氧化鋁作為一種可以改良化妝品導熱性的添加劑,不僅可以使化妝品呈現出較高的光澤度和明亮的色彩體驗,而且貼服在皮膚表面有著很好的舒適度。它有著優越的鋪展性和粘附性能,能夠有效的防止油脂分泌或皮膚出汗造成的粉妝脫落。
圖3 :減少因天氣熱脫妝困擾
4 、功能涂膜
性能優越的片狀氧化鋁無團聚現象,且具有良好的附著力,易于與其他功能微粉相結合,制備成出各種前景誘人的新型功能涂膜。比如用于隱形飛機的功能涂膜可以吸收電波以防止被雷達搜尋到。
此外,氧化鋁涂膜還有阻隔紫外線,進行光催化等功能,因此在太陽能電板上也有著不錯的應用前景。
圖4 :片狀氧化鋁用于太陽能電板
5 、無機填充劑
作為填充劑是片狀氧化鋁最早的應用之一,它被成功地用作聚合物的填料,以增強其熱導率。 氧化鋁的熱導率比有機聚合物高很多,在聚合物中添加一定量的片狀氧化鋁,就可以形成氧化鋁網絡。該網絡能夠把大部分熱量傳出,因此用這種聚合物一陶瓷復合材料制備的電子元件的壽命可以大大提高,片狀氧化鋁的直徑越大,所形成網絡的節點越少,導熱效果就越好。
圖5:片狀氧化鋁用于聚合物填料,提高電子元件散熱能力
6 、用作增韌劑
將片狀氧化鋁作為第二相增韌劑加入到陶瓷中,可以起到增加裂紋偏轉和橋聯作用,對提高陶瓷的斷裂韌性有明顯的效果。采用引入片狀氧化鋁晶種的方法,在熱壓燒結的條件下可制備出斷裂強度為600MPa,斷裂韌性為7.9MPa?m1/2的具有異向生長晶粒的Al203陶瓷。
圖6:片狀氧化鋁用于結構陶瓷增韌
除了在氧化鋁陶瓷中引入片狀晶,在其他陶瓷的制備中加入片狀氧化鋁也能很好地提高材料的性能。比如在X-sialon中加入28vol%的片狀氧化鋁后,韌性可以從1.77 MPa?m1/2增加到4.16 MPa?m1/2,并且彈性模量也隨著片晶的增加而增加;在Ti02中加入30vol%的片狀氧化鋁后,斷裂韌性從2.4 MPa?m1/2增加到3.3 MPa?m1/2,斷裂強度也從215MPa增加到265MPa。
二、片狀氧化鋁的制備工藝
片狀氧化鋁的制備可以通過很多方法,主要有熔鹽法、水熱(醇熱)法、涂膜法、機械超微粉碎法以及液相間接制備法等。
1 、熔鹽法
將所需組分的反應物與2種鹽按照一定比例混合,然后在高于鹽的熔點的溫度下進行煅燒,由于氧化物重新排布并迅速擴散到液態鹽中進行反應而生成產物,冷卻后經去離子水清洗除去其中的鹽分得到純凈產物的一種粉體合成方法。
舉例:
熔鹽法是制備片狀氧化鋁最常用的方法。Shinobu等以硫酸鋁為初始材料,使用硫酸鈉或者硫酸鉀為熔鹽,在高溫下煅燒即可得到片狀氧化鋁。發現以硫酸鋁經900℃煅燒得到的為初始原料能得到粒徑為3.7~5μm、厚度為0.3μm的片狀氧化鋁單晶顆粒,若以硫酸鋁為原料,則得到片狀氧化鋁的團聚體。
特點:
在熔鹽法制備片狀α-Al2O3時可以通過晶種的加人量、熔鹽用量以及煅燒的溫度和時間等參數對粉體的形貌進行控制。該法的缺點是,有些熔鹽具有毒性,其揮發物也可能腐蝕或污染爐體。另外,如何提高摻雜的均勻性也是熔鹽法所面臨的問題。
2 、水熱(醇熱)法
水熱法是指在密閉的壓力環境下,以水作為溶劑,讓物質在高溫高壓的容器(高壓釜)中進行成核,生長結晶,以此生成所需產物的一類化學反應。到目前為止,用水熱法已制備出了百余種晶體,包括硫化鎘,祖母綠,氧化鋅,氧化鋁等多種用途廣泛的高性能材料。
舉例:
水熱結晶是片狀氧化鋁早期的常用制備方法。Yasuo等將氧化鋁用球磨機研磨成亞微級顆粒(粒徑≤1.0μ m),并將其在堿液中進行水熱結晶,制備出厚度小于0.1μm的氧化鋁片晶。
特點:
水熱法的優點是粒子純度高、分散性好且晶形好。其缺點是:反應周期長,反應過程需在封閉的系統中進行。另外,水熱法有高溫高壓步驟,因此對生產設備的依賴性比較強。
3 、涂膜法
涂膜法是利用前驅體配制成溶膠,將溶膠涂覆到具有光滑表面的基體材料上,經干燥、剝離,即得片狀粉體材料。為了使片狀粉體的應用范圍更廣泛,還可以進行燒結。 舉例:
才田健二等利用pH為3~5的氧化鋁溶膠,采用提拉法制膜,干燥后將膜剝離,于350℃燒結6h,然后在1000℃燒結2h,得到了粒徑30μm、厚為1.2μm的片狀氧化鋁粉體。 特點:
通過涂膜法得到的粉體若作為產品直接使用,具有一定的優越性。因為其雜質少,片的表面光滑,片的各種參數(如大小、厚度、化學組成等)在工藝上也易于控制,而且只需要簡單的設備和步驟就可以做出來。但所得的粉體機械強度不高,粒度分布范圍較寬,需要分級處理才能達到使用者的要求。
4 、機械法
機械法是利用機械力使按~定比例的粉末機械混合,在長時間運轉過程中,粉末在研磨介質的反復沖撞下,經歷反復擠壓、冷焊及粉碎過程,成為彌散分布的超細粒子的方法。 舉例:
機械法也可以用來制備片狀氧化鋁粉體。例如Asher Ne-sin申請的一項專利中采用超微超細研磨工藝,將焙燒氧化鋁研磨,所得產物進行水力淘析,除去研磨產生的細小碎片后,得到的六角形片狀氧化鋁可以用作拋光粉。 特點:
機械法操作簡單、成本低,但制得的粉體純度低。同時,由于機械力作用導致顆粒結構和物理化學性質的變化使晶體組織不易控制。
5 、液相間接制備法
液相間接制備法是以可溶性鋁鹽或氫氧化鋁為原料,在液相中沉淀或結晶、干燥得到氧化鋁前驅體,再經高溫煅燒完成α相轉變的方法。該法可以克服水熱法中需要高溫高壓的缺點。液相間接制備法中最主要的是溶膠一凝膠法。 舉例:
Richard F.Hill等以一水軟鋁石和氫氟酸為原料,通過溶膠一凝膠法在1100℃制備出直徑大于25μm的片狀α-Al2O3周振君等在此基礎上,通過控制溶膠的pH值以及凝膠中AlF3的含量,在1100℃下保溫180min制得了直徑為2μm的板狀Al2O3。
特點:
和水熱法類似,液相間接法也利用了液相合成出的粉體純度高,分散性好的特點。
6 、溶膠一凝膠和熔鹽結合法
除以上方法外,一些學者還將其中的兩種結合起來,如新田勝久等將溶膠一凝膠法和熔鹽法結合起來從而克服了熔鹽法中摻雜均勻性不高的缺點,在制備片狀氧化鋁方面取得了很好的結果。
舉例:
他將水溶性鋁鹽、金屬碳酸鹽、堿金屬硫酸鹽、鈦鹽和磷酸或磷酸鹽制成含水解產物的懸浮體或凝膠,通過蒸發干燥該懸浮體或凝膠。并在900~1400℃下熔鹽處理干燥產物得到一種固體,經水洗、過濾和干燥,最終制得平均粒徑為5~60μm、厚度小于1μm、徑厚比大于20的片狀氧化鋁。
特點:
與其它方法制得的片狀氧化鋁比較,該法制得的粉體六角形貌完美、均勻,表面光滑,幾乎無色,沒有孿晶和團聚現象,容易在水中分散,并且容易被金屬氧化物涂敷,可以很好地應用到珠光顏料中。

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