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纳米氧化铝粉体的制备与应用进展

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发表于 2018-11-28 18:56:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
  纳米氧化铝粉体尺寸介于1-100 nm之间,20世纪80年代中期H.Gleiter等首次制得,随后经过广泛研究,对纳米氧化铝的认识不断加深,发现它除了具有纳米效应外,还具有表面积非常大、表面张力极大、颗粒间的结合力非常大、对光有强烈的吸收能力、熔点低、化学活性强,易发生化学反应、低温时几乎没有热的绝缘性等特性。

  氧化铝存在多种晶型,不同晶型的纳米氧化铝还具有各自的特点和应用领域。纳米 γ-Al2O3 比表面积大、活性高,可以显著提高催化效果,广泛用于高效催化领域,国内外已被广泛用作汽车尾气催化剂、石油炼制催化剂、加氢和加氢脱硫催化剂等的载体;β-Al2O3 具有快离子导电性能,烧结体可以用于制备电池; α-Al2O3 可以制备高强度、高硬度、高韧性、高机械强度的陶瓷件,如切削工具、模具、磨料等。
  备注:β-Al2O3严格意义上不属于氧化铝,氧化钠和氧化铝的复合氧化物。

  纳米氧化铝由于表面效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应的作用而具有良好的热学、光学、电学、磁学以及化学方面的性质,因此它被广泛用于传统产业(轻工、化工、建材等)以及新材料、微电子、宇航工业等高科技领域,如下表所列,随着科学技术的迅猛发展,纳米氧化铝的应用领域会得到更大地拓宽,市场需求量也会日益增大,应用前景非常广阔。

  纳米粒子的优异性能,很大程度上取决于颗粒粒径的大小。因此如何颗粒小,克服纳米化而导致的颗粒团聚现象无疑是纳米材料性质稳定、功能发挥的关键,目前已有不少制备方法能解决上述问题。到目前为止,国内外对于纳米氧化铝的 制备方法总体上可以分为三大类,即气相法、液相法和固相法。
  固相法可分为燃烧法、热解法和非晶晶化法。燃烧法是将铝粉直接燃烧而得到的微细氧化铝的方法;热解法是将铝盐经过热分解反应,再经研磨,从而得到氧化铝的纳米粒子。非晶晶化法是先制备非晶态的化合态铝,然后经过退火处理,使非晶晶化。由于非晶态在热力学上是不稳定的,在受热或辐射条件下会出现晶化现象,控制适当的条件可以得到氧化铝的纳米晶。
  气相法是利用各种方式将物质变成气体,使之在气体状态下发生物理或化学变化,在冷却过程中凝聚长大形成超微粉的方法。
  激光气相沉积合成技术主要是利用激光产生高温,使得反应物在瞬间发生反应,产生超微粒的小胚胎。然后这些小胚胎会长大,当离开激光照射区时被快速冷却而停止生长,形成微粉进入收集器,最后进行相应的处理,即可得到纳米粉体。
  铝盐在极板之间形成的等离子气体气氛下,与空气发生氧化反应,形成氧化物。然后,对产物进行快速冷却,使其形成微小颗粒即纳米氧化铝。最后,对其进行收集。
  化学气相沉积是氯化铝在远高于临界反应温度的条件下,使反应物蒸气形成很高的饱和蒸气压,自动凝聚形成大量的晶核,生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面,最终在收集室内得到纳米氧化铝。
  液相法是目前实验室和工业上广泛采用的制备超微粉的方法。其过程是把铝盐配制成一定浓度的溶液,再选择一种合适的沉淀剂或用蒸发、、水解等操作将金属离子均匀沉淀或结晶出来,最后将沉淀或结晶物脱水或者加热分解制得超微粉。液相法可分为沉淀法、溶胶-凝胶法、溶液蒸发法以及微乳液反应法。
  沉淀法是在原料液中添加适当沉淀剂,使得原料液中的铝离子形成各种形式的沉淀物,然后经过滤、洗涤、干燥,加热分解等工艺过程制得。沉淀法又可分为直接沉淀法、均匀沉淀法和水解沉淀法等。
  此法又称胶体化,是利用醇铝盐或无机铝盐的水解和聚合反应制备氢氧化铝均匀溶胶,再浓缩成透明凝胶,凝胶经抽真空低温干燥可得氢氧化铝的超微细粉,在不同的热处理条件下锻烧,可得不同晶型的纳米氧化铝。其中控制溶胶凝胶化的主要参数为溶液的PH值、溶液浓度、反应温度和时间等。
  此法分为喷雾热解法和冷冻干燥法。即把溶液制成小滴后进行快速蒸发从而使组分偏析最小,再经过加热分解制得纳米微粉。喷雾热解法是将可溶性铝盐硝酸铝、碳酸铝按等溶液用喷雾器喷入到高温的气氛中,溶剂的蒸发和铝盐的分解 同时迅速进行,从而制得氧化铝粉末。冷冻干燥法是将铝盐溶液喷雾到低温有机溶剂中,使其迅速冷冻,然后在低温减压条件下脱水,最后再加热分解得氧化铝微粉。
  一般情况下,我们将两种互不相溶液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明、粒径1-100 nm的分散体系称为微乳液。Maston等用超临界流体-反胶团方法在AOT-丙烷-H2O体系中制备Al(OH)3 胶体粒子时, 使一种反应物在水核内,另一种为气体,将气体通入液相中,充分混合使二者发生反应而制备纳米颗粒。具体方法是采用快速注入干燥氨气 的方法得到球形均分散的超细Al(OH)3 粒子。
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