非水解溶胶—凝胶法合成莫来石粉体及晶须的工艺研究

论文摘要

本研究以无水三氯化铝和正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体,无水低碳醇和无水乙醚为氧供体,CHmCl4-m为溶剂（其中m=0～2）,通过非水解溶胶.凝胶法采用回流和容弹两种凝胶化工艺合成莫来石粉体。借助FT-IR、DTA-TG、XRD、SEM、TEM和BET等测试手段研究了回流工艺条件下氧供体种类及用量、加料顺序对莫来石粉体合成效果的影响,探讨了莫来石干凝胶粉在热处理过程中的相变化以及非水解溶胶-凝胶法合成莫来石的反应历程。同时,研究了容弹工艺条件下氧供体种类、溶剂种类及用量等参数对莫来石粉体超细化的影响。此外,对比分析了两种凝胶化工艺合成的粉体在1500℃的烧结性能。在此基础上,进一步采用上述两种凝胶化工艺制备的莫来石干凝胶粉制备莫来石晶须。运用XRD、SEM、HR-TEM等测试手段探讨了干凝胶粉种类、矿化剂氟化铝的引入方式及用量、成型压力、煅烧温度对莫来石晶须合成效果的影响,研究了莫来石晶须的生长方向及其形成机制。结果表明:回流工艺条件下,在所有氧供体中,莫来石的合成效果以乙醚最佳,依次是乙醇、异丙醇和正丁醇等;采用乙醚为氧供体制备的莫来石凝胶为单相凝胶,它在900℃直接晶化为莫来石;采取AlCl3与TEOS先混合,再引入氧供体的加料顺序效果好,并且乙醚的最佳用量为0.52L/1molTEOS;反应过程中形成的Al-O-Si异质聚合产物是低温合成莫来石的关键所在。容弹工艺条件下,以乙醚为氧供体合成莫来石粉体的效果优于乙醇;以乙醚作氧供体,优选二氯甲烷为溶剂,其用量为0.38L/1 molTEOS,合成莫来石超细粉体的效果好。回流和容弹两种凝胶化工艺制备的干凝胶粉比表面积分别为16.4m2/g和259.4m2/g,所合成的莫来石粉体的平均粒径分别为5～7μm和4～6nm,应用容弹工艺可以成功制备莫来石超细粉体。以回流和容弹工艺合成的粉体为原料制备莫来石陶瓷,其抗折强度分别为3.3MPa和11.5MPa,后者为前者的3.5倍。容弹条件下制备的莫来石干凝胶粉活性过强,不利于莫来石晶须生长。以回流条件下制备的莫来石干凝胶粉为原料有利于莫来石晶须的生长,其优化工艺为:通过外置方式引入3wt%氟化铝,成型压力和煅烧温度分别为12MPa和1200℃。在此条件下制备出的莫来石晶须直径为0.2～2μm,长径比高达60～70,莫来石晶须沿c轴方向生长,其生长机理属于气固生长。将7wt%莫来石晶须用于增强钛酸铝材料,使其抗折强度提高到36.2MPa,是未改性钛酸铝材料强度的3倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 2 文献综述
• 2.1 莫来石材料简介
• 2O₃-SiO₂二元相图'>2.1.1 Al₂O₃-SiO₂二元相图
• 2.1.2 莫来石的晶体结构
• 2.1.3 莫来石的性能
• 2.1.4 莫来石的应用
• 2.2 莫来石粉体的制备方法
• 2.2.1 固相法
• 2.2.2 沉淀法
• 2.2.3 水热法
• 2.2.4 燃烧法
• 2.2.5 成核生长法
• 2.2.6 水解溶胶-凝胶法
• 2.2.7 非水解溶胶-凝胶法
• 2.2.7.1 非水解溶胶-凝胶法概括
• 2.2.7.2 非水解溶胶-凝胶法的反应机理
• 2.2.7.3 非水解和传统水解溶胶-凝胶法的对比
• 2.2.7.4 非水解溶胶-凝胶法合成莫来石粉体概况
• 2.3 莫来石晶须的制备方法
• 2.3.1 矿物分解法
• 2.3.2 熔盐法
• 2.3.3 离子掺杂法
• 2O₃-SiO₂粉末煅烧法'>2.3.4 Al₂O₃-SiO₂粉末煅烧法
• 2.3.5 水解溶胶-凝胶法
• 2.4 莫来石晶须的形成机理
• 2.4.1 莫来石晶须的生长
• 2.4.2 莫来石晶须的生长机理
• 2.5 本课题研究的主要内容
• 3 常压下非水解溶胶-凝胶法合成莫来石粉体的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 原料及用量
• 3.2.2 样品制备
• 3.3 测试与表征
• 3.3.1 XRD分析
• 3.3.2 DTA-TG分析
• 3.3.3 FT-IR分析
• 3.3.4 SEM分析
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 回流工艺对莫来石粉体合成的影响
• 3.4.2 氧供体种类对莫来石粉体合成的影响
• 3.4.3 氧供体用量对莫来石粉体合成的影响
• 3.4.4 氧供体加料顺序对莫来石粉体合成的影响
• 3.4.5 干凝胶粉热处理过程中的相变化
• 3.4.6 莫来石干凝胶粉低温晶化的机理
• 3.4.7 莫来石粉体的显微结构
• 3.5 本章小结
• 4 恒容条件下非水解溶胶-凝胶法合成莫来石超细粉体的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验设备
• 4.2.3 制备工艺
• 4.2.4 样品烧结实验
• 4.3 测试与表征
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 氧供体种类对莫来石粉体合成的影响
• 4.4.2 溶剂种类对莫来石粉体合成的影响
• 4.4.3 溶剂用量对莫来石粉体合成的影响
• 4.4.4 凝胶化温度对莫来石粉体合成的影响
• 4.4.5 填充率和凝胶化时间对莫来石粉体合成的影响
• 4.4.6 不同凝胶化工艺合成莫来石粉体的烧结性能
• 4.5 本章小结
• 5 非水解溶胶-凝胶法制备莫来石晶须的工艺研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验设备
• 5.2.3 制备工艺
• 5.2.3.1 莫来石晶须的制备
• 5.2.3.2 莫来石晶须增强钛酸铝陶瓷
• 5.3 测试及表征
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 干凝胶粉活性对制备莫来石晶须的影响
• 5.4.2 氟化铝加料方式对制备莫来石晶须的影响
• 5.4.3 氟化铝用量对制备莫来石晶须的影响
• 5.4.4 不同成型压力对制备莫来石晶须的影响
• 5.4.5 不同煅烧温度对制备莫来石晶须的影响
• 5.4.6 莫来石晶须的形成机制
• 5.4.7 莫来石晶须改性钛酸铝陶瓷强度的初步研究
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献