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; 而氧化鋁增強鋁基復(fù)合材料在 航天領(lǐng)域更具有廣泛的應(yīng)用, A12O3在純Al基體中呈理想的彌散分布且無化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生形成具有很多優(yōu)異的特性Al/Al2O3復(fù)合材料, 這種復(fù)合材料具有較 高的高溫強度、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、易團聚等問題嚴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10~100m, 遠遠不能滿足現(xiàn)代陶瓷材料注漿成型或模壓 成型對粉體顆粒平均粒徑2m以下的要求。而新開發(fā)的先進合成方法, 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單, 產(chǎn)品純度高、粒徑分散性小, 顯微結(jié)構(gòu)均勻, 原料來源廣, 價格低廉等優(yōu)勢而被廣泛采用, 但是化學(xué)沉 淀反應(yīng)過程復(fù)雜,直至目前還缺乏對成核和長大加以 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, 并對影響單分散氧化鋁陶瓷粉體的因素進行探討, 以期獲得優(yōu)質(zhì)氧化鋁陶瓷粉體的 較佳工藝條件。
實 驗
氧化鋁陶瓷粉體制備實驗
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( SO4)3.18H2O)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水乙醇中洗滌, 干燥后在1200煅燒, 制得氧化鋁陶瓷粉體( Al2O3)。 氧化鋁陶瓷粉體的表征 粉末形貌測試采用日本AKASHI SEISAKVSHO LTD公司生產(chǎn)的SX-40型掃描電子顯微鏡(SEM)進行; 粉末粒度分布測試采用日本生產(chǎn)的MICRON PHOTOSIZERSKC-2000型儀器進行。
結(jié)果與討論
溫度控制對氧化鋁陶瓷粉體顆粒度及顯微形貌的影響
溫度對氧化鋁陶瓷粉體粒度的影響
在均勻沉淀反應(yīng)過程中, 尿素水解對溫度較為敏感。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Al2O3粉體的平均粒徑及其標準偏差。
表1不同溫度條件下氧化鋁陶瓷粉體平均粒徑及標準偏差
上述實驗結(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、核增長速率相對大小有關(guān)。膠粒形成過程要克服兩個位壘: 熱力學(xué)位壘和動力學(xué)位壘。當原子或分子從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔喟l(fā)生成核反應(yīng)時, 必須克服熱力學(xué)位壘; 核長大過程則原子或分子要克服動力學(xué)位壘通過晶核界面的擴散過程完成。當體系溫度較 低時成核速率較核長大速度快, 有利于膠核生成。 高溫條件下擴散活化能增大, 膠體生長速率較大; 同時膠粒碰撞機會增大, 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大, 使得粒度分布曲線展寬。
溫度對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, 溫度升高, 造成氧化鋁微粉的形貌更加不規(guī)則, 同時粉末團聚現(xiàn)象也趨 嚴重。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處于高過飽和狀 態(tài)加速了成核, 溶液在短時期內(nèi)產(chǎn)生大量很細小的膠粒, 這些小的膠粒具有很高的比表面積, 因而加劇了團聚現(xiàn)象的產(chǎn)生; 另一方面, 高溫下擴散活化能的 增加也使布朗運動加劇, 造成顆粒的聚沉。綜上所述, 溫度升高只對增加反應(yīng)速率有利, 而對氧化鋁微 粉的顆粒度及形貌都帶來不利影響。
分散劑對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程中引入分散劑, 為了避免溶液中帶電膠團聚沉現(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H (CH2CH2O)nH, 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, 形成較強的氫鍵, 從而在沉淀表面形成一層大分子親水保護膜, 起到位阻作用。該分子中巨大的碳氫鍵相互靠攏、締合, 形成膠團, 隔離水介質(zhì), 阻止大的沉淀顆粒的聚沉。
分散劑對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95, 不同分散劑添加量的實驗條件下實驗得出氧化鋁陶瓷 粉體粒度分布的影響:
表2添加不同比例分散劑條件下氧化鋁微粉的平均粒徑 及標準偏差
分散劑的用量對粉末性能具有舉足輕重的作用。用量過少, 位阻穩(wěn)定作用不明顯, 甚至高分子鏈節(jié)在兩個粉末顆粒間形成"架橋作用", 增加顆粒聚集的趨勢; 用量過大, 膠粒穩(wěn)定性增強, 但粉末流動性、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, 但是如添加量偏高, 平均粒徑會升高而標準偏差下降; 只有當添加量為5w%t 時, 其平均粒徑和標準偏差才能同時下降。因此, 加入適量分散劑能改善氧化鋁微粉的粒度分布情況。
分散劑對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, 粉末顆粒中出現(xiàn)大量較小球形顆粒, 團聚顆粒也同時存在。當添加量較高時, 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( 5w%t )時, 氧化鋁微粉具有較好的品質(zhì)。
制備單分散氧化鋁陶瓷粉體的工藝條件
反應(yīng)物Al2(SO4)3.18H2O的初始濃度為01M, 反應(yīng)溫度85,添加5w%t 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, 達到了預(yù)期目標, 是較理想的氧化鋁陶瓷粉體。
結(jié)論
(1)在均勻沉淀法制粉過程中加入分子量為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)體過程中溫度升高會造成煅燒后氧化鋁陶瓷粉體顆粒粒度 增大, 標準偏差增大。
(3)通過對比氧化鋁陶瓷粉體粒度及形貌得出: 當反應(yīng)物Al2(SO4)3.18H2O初始濃度為0.1M時, 控制反應(yīng)溫度為85、分散劑聚乙二醇PEG1000添加量5w%t , 采用均勻沉淀法可制備出顆粒形貌呈規(guī)則球形、無明顯團聚、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, 其標準偏差=0.93mm。