氧化铝纳米颗粒的制备Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:12979432
- 上传时间:2022-10-01
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:286.51KB
氧化铝纳米颗粒的制备Word文档下载推荐.docx
《氧化铝纳米颗粒的制备Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《氧化铝纳米颗粒的制备Word文档下载推荐.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
“毫无疑问,当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话,将大大扩充我们可能获得物性的范围”。
在这里,通常将范围在1~100nm的纳米体系界定为细微尺度事物的主角[1]。
美国科学家阿姆斯特朗在20世纪末也预言:
“正如70年代微电子技术产生了信息革命一样,纳米科学技术将成为21世纪信息时代的核心”。
这些预言精准的指出了纳米体系的地位和作用,这也就是纳米材料的吸引人之处。
随着对纳米材料的系统研究和各种超结构体系研究的开展和深入,科学家们的预言已然变为现实。
1.1.1纳米科技的定义与内涵
2纳米科学与纳米技术并称纳米科技。
纳米科技可以定义为:
在1~100nm纳米尺度范围内,研究包括原子、分子在内的物质的特性及其相互作用,多学科交叉的科学与技术[2]。
3作为能与产业革命相比拟的高度交叉性综合型学科,它不仅涵盖科研领域,更延伸到了日常生活。
纳米科技主要由七个相对独立的部分组成[3],它们分别是:
纳米体系物理学,纳米材料学,纳米化学,纳米电子学,纳米力学,纳米生物学,纳米加工学。
1.1.2纳米材料的概念与分类
4纳米材料是构成纳米科技的基础部分,纳米材料是指考虑三维空间尺度,至少有一维是处于纳米量级或它们作为基本单元构成的材料。
纳米材料的基本单元可以有零维、一维、二维之分,其中零维的代表是纳米颗粒,它表现为空间三维尺度全满足纳米尺度限制;
一维的代表是纳米管,它表现为空间三维尺度中有两维处于纳米范围;
二维指在三维尺度中只有一维满足纳米要求,如超薄膜。
5从不同角度出发,纳米材料分类方式也大有不同。
最常见的是按照构成纳米材料的物质种类分,有金属纳米材料、半导体纳米材料、纳米陶瓷、有机-无极纳米复合材料及纳米介孔固体与介孔复合体材料[1]。
1.1.3纳米结构与性能
6研究纳米结构的前提是将纳米粒子视为理想单晶,又由于纳米晶粒表明原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大使得表面成为纳米材料不可忽视的组成部分,纳米材料的结构上存在两种结构单元:
晶体单元与晶界单元[4]。
晶体单元由位于格点位置的原子组成;
晶界单元由晶粒之间的界面原子(由超微晶粒的表面原子转化所得)构成。
1.2氧化铝
1.2.1氧化铝概述
7氧化铝,化学符合Al2O3,外观呈现为白色粉末状固体,其性能特点如表1.1所示。
从晶体学考虑,在氧化铝众多晶型中,存在12种基本晶型[5],它们是:
α-Al2O3,β-Al2O3,γ-Al2O3,δ-Al2O3,ε-Al2O3,ζ-lA2O3,λ-Al2O3,η-Al2O3,θ-Al2O3,κ-Al2O3,ρ-Al2O3,χ-Al2O3,及无定型氧化铝。
几种典型氧化铝晶型物理性质与晶体性质见表1.2。
表1.1氧化铝基本性质
性质
数值
分子量
101.96g/mol
密度
3.97g/cm3
熔点
2054°
C
沸点
2980°
溶解度(水)
——
热力学焓值
−1675.7kJ/mol
热力学熵值
50.92J/mol·
K
表1.2典型氧化铝晶型物理性质与晶体性质
晶相
密度(g/cm3)
组成
晶胞参数(Å
)
晶系
α-Al2O3
3.98
Al2O3
a=4.76
c=12.99
六方晶系
γ-Al2O3
3.20
Al2O3,微量水
a=8.01
四方晶系
δ-Al2O3
a=7.94
b=7.94
c=23.50
η-Al2O3
2.50-3.60
a=7.92
立方晶系
θ-Al2O3
3.40-3.90
a=11.21
b=5.72
c=11.74
单斜晶系
κ-Al2O3
3.10-3.80
a=9.71
c=17.86
ρ-Al2O3
接近无定型
χ-Al2O3
3.00
a=5.56
c=13.44
1.2.2α型氧化铝物理化学性质
8α-Al2O3属于原子晶体,晶体中的共价键非常强,晶格能高达16743KJ/mol,要破坏键力使晶体破碎或熔化需要很高的能量,则α-Al2O3物理性质表现为硬度大,熔点高。
如表1.4所示。
稳定的晶体结构也决定化学性质的稳定,表现为耐酸碱腐蚀。
除此之外,α-Al2O3还具有以下物理化学特性:
9
(1)力学性能方面,机械强度高
10α-Al2O3不仅在常温下具有高的静态抗弯强度,并且能在高温下保持其机械强度。
表1.5为常压烧结法所得α型氧化铝在常温与高温下机械强度值。
11
(2)热学性能方面,导热性能良好
12α-Al2O3热导率仅仅是铝的1/2,并且热导率随着温度的增加有明显的降低。
13(3)电学性能方面,电阻率高
14α-Al2O3电阻率能达到1012量级[6],高于绝缘体分界电阻率1010Ω·
m。
高电阻率代表好的绝缘性,所以α-Al2O3以其优异的绝缘性广泛应用于电子领域。
15(4)光学性能方面,可以具有透光性能
16以α-Al2O3为主晶相,微量添加氧化镁,氧化钇作为添加剂,在热压烧结过程中严格控制晶粒尺寸与纯度,可以制得透光性好的半透明甚至透明氧化铝陶瓷[7]。
所得产品的直线透光率高达90%-95%。
17(4)化学性能方面,耐化学腐蚀
18α-Al2O3晶体结构中结构基元是六个共面的[AlO6]配位八面体,这种结构决定键力具有各向同性,当有水分子、H+或OH-“攻击”化学键时,没有最优的裂解方向,即α型氧化铝不溶于水且不溶于强酸、强碱。
同理,α-Al2O3对卤化物、氮化物、硫化物、磷化物、砷化物也表现为化学惰性。
19α-Al2O3不仅具有如此优异的物理化学性能,而且来源广,价格低[8],所以被广泛应用于传统的建筑材料,磨削制品,耐火材料,电子材料,光学器件等领域。
随着生物仿生学科的蓬勃发展,α型氧化铝作为人造骨骼,牙齿的应用更是受到了人们的追捧。
1.2.3纳米氧化铝陶瓷特征与颗粒制备
20高强度是陶瓷材料的显著优点,但脆性大、韧性强度低严重限制了陶瓷材料的发展。
伴随着纳米技术的普及,为满足许多领域对材料提出更高的要求,纳米陶瓷就应运而生[9]。
科学家们发现,纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径[10]。
提出结合纳米技术与陶瓷材料的最主要原因就是纳米材料所具有的独特特性,正是这些特性,在改变材料物理化学性能的同时也精简了制备方法。
如纳米氧化铝的烧结温度(1200-1300℃)比常规晶粒的氧化铝(≥1800℃)低了500-600℃。
21作为纳米材料的分支,纳米陶瓷是指粒径的平均尺寸在100nm以下的陶瓷材料。
从维数上划分,纳米陶瓷是三维块体纳米材料,即纳米陶瓷的晶粒尺寸、第二相分布、晶界宽度、缺陷尺寸都满足纳米尺寸。
纳米氧化铝陶瓷是目前投入较多研究的纳米陶瓷材料之一。
由于纳米氧化铝陶瓷中晶粒的细化,造成晶界数目大幅度的增加,在导致氧化铝材料的强度进一步提高的同时,大大增加了材料的韧性,并使氧化铝材料表现出超塑性,从而赋予纳米氧化铝陶瓷优异的性能。
与一般氧化铝材料比较,纳米氧化铝陶瓷具有以下特点[11]:
22
(1)纳米材料的基本性能
23即具有小尺寸效应,量子尺寸效应,表面与界面效应和宏观量子隧道效应。
24
(2)高强度
25纳米氧化铝陶瓷材料经历压制、烧结后,其强度变为普通氧化铝的4-5倍。
氧化铝与一般陶瓷材料一样,是由气孔与晶粒构成微观组织,微观组织的结构决定其性能。
氧化铝的强度随气孔率的增加而按照指数形式下降,并且强度与晶粒尺寸的平方根成反比。
在纳米氧化铝中,无论晶粒尺寸还是气孔尺寸都属于纳米量级,这就决定了纳米氧化铝的高强度。
26(3)增韧性
27由于纳米氧化铝陶瓷的晶粒尺寸非常小,纳米材料具有较大的晶面,且晶面原子呈混乱排列,使得纳米量级的氧化铝颗粒可以在其他晶粒上运动,导致整个材料在受力时优先选择形变而非断裂。
28(4)低温超塑性
29超塑性,定义为在拉伸试验中,保证一定的应变速率,可以使材料拥有较大的拉伸形变。
普通氧化铝不具备低温超塑性,这是由超塑性的产生机理决定的:
扩散蠕变能引起晶格滑移,表现出超塑性,扩散蠕变速率与晶粒尺寸的三次方成反比,但与扩散系数成正比,普通氧化铝的大粒径决定了扩散蠕变的困难。
就纳米氧化铝而言,虽然所处温度不高,由于扩散系数增加三个数量级、晶粒尺寸减少三个数量级,都使扩散速率大大提升,有能力对外界应力做出迅速反应,造成晶界方向的平移,这就是超塑性。
30(5)扩散与烧结性能提升
31由于纳米氧化铝材料中有大量界面,它们为原子提供了短途扩散的途径与较高的扩散速率,使得烧结驱动力增加,烧结温度降低。
32(6)透光性
33使用添加烧结助剂手段来制备的纳米氧化铝陶瓷可以是一种透明材料,也称为透明陶瓷。
纳米氧化铝透明陶瓷的最重要应用是与稀土材料复合形成低成本的发光材料。
34虽然纳米氧化铝有如此多的优异性能,且有大量材料学家投身于纳米氧化铝材料的研发,但随着纯度要求的提高,高纯纳米氧化铝陶瓷的制备越来越困难。
这主要是由于高纯纳米氧化铝陶瓷由颗粒形状稳定、分布均匀的α-Al2O3组成,而单分散体系的α-Al2O3纳米颗粒的制备是横亘在科学家面前的一条鸿沟[12]。
35理想的α-Al2O3纳米颗粒要求晶粒几何形状均匀稳定、颗粒纯度高、粒径分布可控制、粉体团聚程度低[13]。
要满足这些条件,就需要从目前已纯熟的纳米陶瓷粉体制备技术出发,研究出一种高效清洁的制备方法。
按照起始原料的状态,可以将纳米陶瓷粉体的制备手段分为气相制备方法、液相制备方法、固相制备方法[14]。
1.3本论文的研究目的与研究内容
1.3.1本论文的研究目的
纳米材料发展至今天,已经经历了“从小到大”,即从发现纳米颗粒到纳米材料应用的阶段,现在的研究重点则是“从大到小”,即从宏观纳米材料性质出发,研究微观纳米粒子的性能。
在纳米陶瓷领域,原料丰富、性能优异的氧化铝自然吸引了大量材料学家的注意。
科研过程难免会遇到瓶颈,纳米氧化铝颗粒的研究也不例外。
目前,最大的障碍就是如何能做出几何尺寸足够小,且呈单分散的α-Al2O3。
1.3.2本论文的研究内容
36建立合理的α-Al2O3纳米颗粒制备流程,不但可以优化现有的生产工艺,而且为提高产品品质做出贡献。
本论文为此做出以下研究:
37
(1)沉淀法中引入隔离相,制备前驱体
38普通的沉淀法制备的前驱体经高温煅烧,形成的氧化铝颗粒间团聚现象严重;
添加隔离相,可以有效阻碍氧化铝颗粒间的接触,为后续实验打好基础。
39
(2)高温煅烧,得到混合氧化物
40探索能得到单分散球形α-Al2O3纳米颗粒的形成温度。
41(3)运用检测技术表征
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 氧化铝 纳米 颗粒 制备