单分散α-Al2O3纳米颗粒粉体的制备与表征

论文摘要

本研究本着两个主要的研究思想:一是从制取α-Al2O3纳米颗粒的方法上探求出一种低成本、高产出的新的制取方法;二是从制备α-Al2O3纳米颗粒的过程中来对其形貌和尺寸实现人为地控制,探索由简单的液相沉淀法批量制备单分散的α-Al2O3纳米颗粒的制备工艺。以廉价的硝酸铝、氨水为原料采用化学沉淀法制备出α-Al2O3的前驱物-氢氧化铝,通过分析不同晶体结构的氢氧化铝在相转变过程中的热行为、晶粒长大现象、以及得到最终产物α-Al2O3的产率;再藉由不同的处理方式,研究处理过的氧化铝前驱体在煅烧过程的晶型转变及α-Al2O3晶粒的成核与长大,观察在低温下所制得α-Al2O3纳米颗粒的颗粒尺寸、团聚程度;自主研发了一种新型的制备方法,隔离相辅助煅烧方法。通过在氧化铝前驱体里混入隔离相,研究隔离相在煅烧过程中的隔离机制与所制得α-Al2O3纳米颗粒的粒径、分散性的关系。研究结果表明,在氧化铝前驱体中加入的α-Al2O3晶种提供异质成核点,使得α-Al2O3晶粒在过渡态Al2O3基质中的异质成核的活化能△Ghu极大地降低,促使α-Al2O3晶相在相对较低的温度形成,获得低团聚的α-Al2O3纳米颗粒粉体。前驱体的软研磨处理,在微细化粉体颗粒的同时,会造成Al原子亚晶格的紊乱,促使由紊乱的Al原子亚晶格组成的变形结构向更稳定的α-Al2O3晶相转变。同时,在研磨处理过程,软研磨的提供的能量可能会促使某些活性羟基的脱去,但没有剩余或足够大的能量使颗粒表面吸附的羟基键合,因而不会使得氧化铝前驱体颗粒间因形成氢键而团聚厉害。在研磨活化和添加α-Al2O3晶种的共同作用下,α-Al2O3前驱体在煅烧过程通过α-Al（OH）3→γ-AlOOH→γ-Al2O3→α-Al2O3晶相转变途径转化为α-Al2O3晶相,α-Al2O3晶相的起始形成、相变完成温度分别降低了800℃与150℃,获得的α-Al2O3粉也由平均粒径100 nm的严重烧结的颗粒粉体变为平均粒径40 nm分散的颗粒粉体。在研磨活化和添加α-Al2O3晶种的共同作用下,较细结构的γ-Al（OH）3前驱体在煅烧过程,小部分通过γ-Al（OH）3→χ-Al2O3→α-Al2O3晶型转变途径在300℃直接转变部分α-Al2O3晶粒,大部分通过γ-Al（OH）3→χ-Al2O3→κ-Al2O3→α-Al2O3晶型转化途径转化为α-Al2O3晶粒;基于χ-Al2O3、κ-Al2O3以及α-Al2O3三者结构上的相似性,α-Al2O3晶粒更容易的异质成核,在750℃煅烧时保温10天几乎完全转变为α-Al2O3晶相,制得分散的20 nm近球型α-Al2O3纳米颗粒。采用的隔离相辅助煅烧方法,即在制备α-Al（OH）3前驱体过程中引入化学稳定的无机盐充当隔离相辅助煅烧。隔离相的含量,对制备单分散的α-Al2O3纳米颗粒的尺寸、形貌以及团聚程度有直接的影响。隔离相含量太低时,不能完全隔离开Al2O3纳米颗粒,煅烧时发生纳米颗粒间烧结、团聚以及长大。随隔离相含量增加,α-Al2O3纳米颗粒间烧结、团聚明显减弱,但氧化铝前驱体转变为α-Al2O3晶相所需的煅烧温度升高;同时,在煅烧时,在液态NaCl隔离相和固态Al2O3纳米颗粒相的混合体系中发生固液两相相分离,使得制得的α-Al2O3纳米颗粒呈现α-Al2O3多晶大颗粒与α-Al2O3单晶小颗粒两种形态。对制备单分散的α-Al2O3纳米颗粒,隔离相的含量存在临界值;当隔离相与硝酸铝的摩尔比为20:1时,隔离相在煅烧时有效地隔离Al2O3纳米颗粒,避免Al2O3纳米颗粒在高温煅烧时粗化、烧结以及长大,在1000℃煅烧就可以制得颗粒尺寸分布窄、平均粒径10nm的单分散球形α-Al2O3纳米颗粒。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 氧化铝纳米颗粒粉体研究的综述
• 1.1.1 氧化铝的性能
• 2O₃纳米颗粒粉体的应用'>1.1.2 Al₂O₃纳米颗粒粉体的应用
• 2O₃纳米颗粒粉体的制备'>1.1.3 Al₂O₃纳米颗粒粉体的制备
• 2O₃纳米颗粒粉体研究中存在的问题'>1.2 Al₂O₃纳米颗粒粉体研究中存在的问题
• 1.3 本论文选题依据、研究内容和研究思路
• 1.3.1 选题依据
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 主要研究思路
• 1.4 本论文主要创新点
• 参考文献
• 第二章 理论基础
• 2.1 沉淀法纳米微粉制备理论
• 2.1.1 液相中生成固相颗粒的机理研究
• 2.1.2 前驱体的干燥
• 2.2 前驱体的煅烧机制
• 2.2.1 氢键理论
• 2.2.2 晶桥理论
• 2.2.3 毛细管吸附理论
• 2.2.4 化学键作用理论
• 2.3 纳米粉体的分散机制
• 2.3.1 晶种
• 2.3.2 机械研磨活化处理
• 2.3.3 煅烧方式
• 2O₃纳米颗粒的蠕虫状结构'>2.4 多晶体α-Al₂O₃纳米颗粒的蠕虫状结构
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 纳米颗粒粉体相关实验研究方法
• 3.1 样品的制备
• 3.1.1 样品制备
• 3.2 样品的表征方法
• 3.2.1 X射线衍射（XRD）
• 3.2.2 透射电子显微镜（TEM）
• 3.2.3 热重-差热分析（TG-DTA）
• 3.2.4 氮气吸附
• 3.2.5 衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）
• 参考文献
• 第四章 氧化铝前驱体的制备与表征
• 4.1 实验准备
• 4.2 制备
• 4.3 前驱体的结构表征
• 4.3.1 非晶态氢氧化铝
• 4.3.2 勃姆石（γ-AlOOH）
• 3]'>4.3.3 拜耳石[α-Al（OH）₃]
• 3]'>4.3.4 三水铝石[γ-Al（OH）₃]
• 4.4 较分散的前驱体在煅烧时的晶型转化、热行为及最终产物的结构特征
• 2O₃的结构特征'>4.4.1 非晶态氢氧化铝在煅烧时的晶型转化、热行为以及最终产物α-Al₂O₃的结构特征
• 2O₃的结构特征'>4.4.2 γ-AlOOH在煅烧时的晶型转化、热行为以及最终产物α-Al₂O₃的结构特征
• 4.5 小结
• 参考文献
• 2O₃纳米颗粒的低温形成研究'>第五章 α-Al₂O₃纳米颗粒的低温形成研究
• 5.1 实验准备
• 5.2 制备过程
• 5.3 结构表征
• 3制备α-Al₂O₃纳米颗粒粉体'>5.3.1 研磨活化的α-Al（OH）₃制备α-Al₂O₃纳米颗粒粉体
• 3制备α-Al₂O₃纳米颗粒粉体'>5.3.2 研磨活化γ-Al（OH）₃制备α-Al₂O₃纳米颗粒粉体
• 5.4 小结
• 参考文献
• 2O₃纳米颗粒粉体的制备与表征'>第六章 单分散α-Al₂O₃纳米颗粒粉体的制备与表征
• 6.1 实验准备
• 6.2 制备过程
• 2O₃的驱体的结构'>6.3 Al₂O₃的驱体的结构
• 2O₃纳米颗粒的制备、结构表征与形成机理'>6.4 单分散α-Al₂O₃纳米颗粒的制备、结构表征与形成机理
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 致谢