化學(xué)沉淀法制備氧化鋁陶瓷粉體的優(yōu)化

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，氧化鋁陶瓷做為重要的航天材料和信息材料而成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。作為信息材料氧化鋁陶瓷具有較高的介電常數(shù)、低的介電損耗和優(yōu)良的導(dǎo)熱性能是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)不可或缺的主要封裝材料；而氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在航天領(lǐng)域更具有廣泛的應(yīng)用，Al203在純Al基體中呈理想的彌散分布且無(wú)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生形成具有很多優(yōu)異的特性Al/Al203復(fù)合材料，這種復(fù)合材料具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的耐磨性、阻尼特性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及低的膨脹系數(shù)等。然而目前工業(yè)氧化鋁陶瓷粉體普遍存在的粉體顯微形貌不規(guī)則、粒徑分散性大、易團(tuán)聚等問(wèn)題嚴(yán)重制約著氧化鋁陶瓷材料在高科技領(lǐng)域的工業(yè)化生產(chǎn)。制備氧化鋁陶瓷粉體的方法有很多，如傳統(tǒng)的拜爾法、熱分解法、化學(xué)沉淀法等，但是拜爾法合成的氧化鋁粉體粒徑在10～l00μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代陶瓷材料注漿成型或模壓成型對(duì)粉體顆粒平均粒徑2μm以下的要求。而新開(kāi)發(fā)的先進(jìn)合成方法，如醇鹽水解法和溶膠凝膠法等，因其成本居高不下而制約了工業(yè)化進(jìn)程。在眾多的合成制備工藝中化學(xué)沉淀法以其制備工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高、粒徑分散性小，顯微結(jié)構(gòu)均勻，原料來(lái)源廣，價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用，但是化學(xué)沉淀反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，直至目前還缺乏對(duì)成核和長(zhǎng)大加以控制的有效方法，因此本研究采用化學(xué)沉淀法制備氧化鋁陶瓷粉體，并對(duì)影響單分散氧化鋁陶瓷粉體的因素進(jìn)行探討，以期獲得優(yōu)質(zhì)氧化鋁陶瓷粉體的較佳工藝條件。

1實(shí)驗(yàn)

1.1氧化鋁陶瓷粉體制備實(shí)驗(yàn)

采用均勻沉淀法合成氧化鋁陶瓷粉體，以天津化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的分析純水合硫酸鋁(AL2(S04)3．18H20)為原料，以北京化工廠生產(chǎn)的分析純脲CO(NH2)2為沉淀劑，以天津泰達(dá)化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的聚乙二醇PEG為分散劑，反應(yīng)溫度控制在85～100℃。制得前驅(qū)體分別在去離子水和無(wú)水乙醇中洗滌，干燥后在1200℃煅燒，制得氧化鋁陶瓷粉體（a-Al203）。

1.2氧化鋁陶瓷粉體的表征

粉末形貌測(cè)試采用日本AKASHISEBAKVSHOLTD公司生產(chǎn)的SX-40型掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行；粉末粒度分布測(cè)試采用日本生產(chǎn)的MICRONPHOTOSIZERSKC-2000型儀器進(jìn)行。

2結(jié)果與討論

2.1溫度控制對(duì)氧化鋁陶瓷粉體顆粒度及顯微形貌的影響

2.11溫度對(duì)氧化鋁陶瓷粉體粒度的影響

在均勻沉淀反應(yīng)過(guò)程中，尿素水解對(duì)溫度較為敏感。尿素水解速率受溫度的控制，70℃以上尿素水解才可能發(fā)生。溫度越高，水解速率越快，沉淀反應(yīng)也隨之加快，生成前驅(qū)體的沉淀速度會(huì)影響陶瓷粉體較終的顆粒度，如表1所示為不同沉淀反應(yīng)溫度條件下制備的前驅(qū)體經(jīng)煅燒后得到的a-Al203粉體的平均粒徑及其標(biāo)準(zhǔn)偏差。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氧化鋁陶瓷粉體平均粒徑隨反應(yīng)溫度的升高而增大，粒度分布范圍也相應(yīng)變寬。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與膠體核化速率、核增長(zhǎng)速率相對(duì)大小有關(guān)。膠粒形成過(guò)程要克服兩個(gè)位壘：熱力學(xué)位壘和動(dòng)力學(xué)位壘。當(dāng)原子或分子從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔喟l(fā)生成核反應(yīng)時(shí)，必須克服熱力學(xué)位壘；核長(zhǎng)大過(guò)程則原子或分子要克服動(dòng)力學(xué)位壘通過(guò)晶核界面的擴(kuò)散過(guò)程完成。當(dāng)體系溫度較低時(shí)成核速率較核長(zhǎng)大速度快，有利于膠核生成。高溫條件下擴(kuò)散活化能增大，膠體生長(zhǎng)速率較大；同時(shí)膠粒碰撞機(jī)會(huì)增大，大顆粒產(chǎn)生較多。另外，溫度升高使溶解度增加，造成小膠粒溶解而大膠粒長(zhǎng)大，使得粒度分布曲線展寬。

2.12溫度對(duì)氧化鋁微粉形貌的影響

圖1所示的是不同沉淀反應(yīng)溫度下氧化鋁陶瓷粉體的顯微形貌圖。由圖可見(jiàn)，溫度升高，造成氧化鋁微粉的形貌更加不規(guī)則，同時(shí)粉末團(tuán)聚現(xiàn)象也趨嚴(yán)重。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生一方面是由于高溫條件造成尿素迅速水解，使溶液中Al(OH)3處于高過(guò)飽和狀態(tài)加速了成核，溶液在短時(shí)期內(nèi)產(chǎn)生大量很細(xì)小的膠粒，這些小的膠粒具有很高的比表面積，因而加劇了團(tuán)聚現(xiàn)象的產(chǎn)生；另一方面，高溫下擴(kuò)散活化能的增加也使布朗運(yùn)動(dòng)加劇，造成顆粒的聚沉。綜上所述，溫度升高只對(duì)增加反應(yīng)速率有利，而對(duì)氧化鋁微粉的顆粒度及形貌都帶來(lái)不利影響。

2.2分散劑對(duì)氧化鋁陶瓷粉體顆粒度及顯微形貌的影響

本研究在沉淀形成過(guò)程中引入分散劑，為了避免溶液中帶電膠團(tuán)聚沉現(xiàn)象，采用非離子型高分子聚合物聚乙二醇PEG作為分散劑，其分子式為HO(CH2CH20).H它只有醚鍵和羥基兩種親水基，其分子在水溶液中呈蛇形，在形成溶膠的過(guò)程中，Al(OH)4-的羥基與分散劑的氫原子發(fā)生作用，形成較強(qiáng)的氫鍵，從而在沉淀表面形成一層大分子親水保護(hù)膜，起到位阻作用。該分子中巨大的碳?xì)滏I相互靠攏、締合，形成膠團(tuán)，隔離水介質(zhì)，阻止大的沉淀顆粒的聚沉。

2.21分散劑對(duì)氧化鋁陶瓷粉體顆粒度的影響

表2為在硫酸鋁濃度0.1M，反應(yīng)溫度950℃,不同分散劑添加量的實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)驗(yàn)得出氧化鋁陶瓷粉體粒度分布的影響：

分散劑的用量對(duì)粉末性能具有舉足輕重的作用。用量過(guò)少，位阻穩(wěn)定作用不明顯，甚至高分子鏈節(jié)在兩個(gè)粉末顆粒間形成“架橋作用”，增加顆粒聚集的趨勢(shì)；用量過(guò)大，膠粒穩(wěn)定性增強(qiáng)，但粉末流動(dòng)性、填充性降低。由表2可知添加分散劑后氧化鋁陶瓷粉體的顆粒度有下降的趨勢(shì)，但是如添加量偏高，平均粒徑會(huì)升高而標(biāo)準(zhǔn)偏差下降；只有當(dāng)添加量為5wt%時(shí)，其平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差才能同時(shí)下降。因此，加入適量分散劑能改善氧化鋁微粉的粒度分布情況。

2.22分散劑對(duì)氧化鋁粉末形貌的影響

圖2為加入不同比例的分散劑制得的氧化鋁陶瓷粉體顯微形貌。加入分子量為1000的PEG可使粉末分散性明顯改善，粉末微觀形貌趨于球形。添加量不同所得粉末粒徑不同，添加量較低時(shí)，粉末顆粒中出現(xiàn)大量較小球形顆粒團(tuán)聚顆粒也同時(shí)存在。當(dāng)添加量較高時(shí)，粉末中出現(xiàn)大的球形顆粒；而粉末均勻性有所改善。添加適量PEG1000(Swt%)時(shí)，氧化鋁微粉具有較好的品質(zhì)。

2.3制備單分散氧化鋁陶瓷粉體的工藝條件

反應(yīng)物AL2(S04)3．18H20的初始濃度為0.1M，反應(yīng)溫度850℃，添加Swt%PEG1000的分散劑，制備的氧化鋁微粉的平均粒徑為1.6mm（介于1～4mm之間），其粒度分布如圖3所示。

圖4為較佳反應(yīng)條件下氧化鋁陶瓷粉體顯微形貌：氧化鋁陶瓷粉體不僅平均粒徑小D1/2=1.6mm,而且呈球形規(guī)則形貌，顆粒大小均勻，分散性好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，是較理想的氧化鋁陶瓷粉體。

3結(jié)論

(1)在均勻沉淀法制粉過(guò)程中加入分子量為1000的聚乙二醇(PEG1000)作分散劑可使制得的氧化鋁陶瓷粉體平均粒徑下降，粒度分布范圍變窄，顆粒形貌趨于球形。

(2)在均勻沉淀法制備氧化鋁陶瓷前驅(qū)體過(guò)程中溫度升高會(huì)造成煅燒后氧化鋁陶瓷粉體顆粒粒度增大，標(biāo)準(zhǔn)偏差增大。

(3)通過(guò)對(duì)比氧化鋁陶瓷粉體粒度及形貌得出：當(dāng)反應(yīng)物AL2(S04)3×l8H20初始濃度為01M時(shí)，控制反應(yīng)溫度為85℃、分散劑聚乙二醇PEG1000添加量5wt%，采用均勻沉淀法可制備出顆粒形貌呈規(guī)則球形、無(wú)明顯團(tuán)聚、近似呈單分散的氧化鋁陶瓷粉體，其平均粒徑D1/2=1.6mm，粒度分布范圍很窄，其標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=0.93nm。