超细Al2O3粉体的制备
超细Al2O3粉体的制备
纳米氧化铝粉体除了具有纳米效应，在光、电、力学和化学反应等许多方面也表现出一系列的优异性能，已成为一种应用广泛的纳米材料。本文主要研究了纳米氧化铝粉体的制备方法，利用溶胶凝胶法制备氧化铝前驱体，通过不同的煅烧温度来制备超细氧化铝粉。通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜分析（SEM)等分析手段来检测实验样品，从而对实验结果进行分析研究。实验反应产物前驱体为NH4AlO(OH) HCO3，在一定温度煅烧后，粉体为γ-Al2O3相，粉体粒度为15~35纳米，纳米氧化铝粉体的粒径随煅烧温度的升高而减小。
关键词 纳米氧化铝，制备，溶胶凝胶，粉体粒径
1 引言 1
1.1 纳米氧化铝的种类 1
1.2 纳米氧化铝的制备方法 3
1.3 纳米材料的应用 6
1.4 本论文研究目的及主要内容 7
2 实验部分 8
2.1 实验原理 8
2.2 实验所用的材料及仪器 9
2.3 实验工艺流程及步骤 10
2.4 实验的测试方法 11
3 实验结果与讨论 12
3.1 前驱体实验分析 12
3.2 样品煅烧后实验分析 13
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献...23
1 引言
纳米材料指在三维空间中至少有一维尺寸处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这就相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。包括非金属、金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。纳米材料可分为纳米固体材料与纳米超微粒子两个层面。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既不是典型的微观系统也不是典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等纳米粒子效应；纳米微粒是纳米固体的基本构成单元，排列成一维的量子线（纳米纤维），二维的量子面（纳米微粒膜）、三维的纳米固体（纳米材料）[1]。
纳米材料具有很多特殊的性质，其性质既不同于分子、原子，也不同于宏观物体，性质上的变化是由纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的，例如：当粒子尺寸为10nm时，其表面原子数量占总原子数量的40%，而当其尺寸达到1nm时，其表面原子数量占总原子数激增到99%，基本上都被表面原子覆盖，被基本上没有被包围的原子；在日常中，铜是不会燃烧的，但当其颗粒达到几纳米时，遇到空气纳米铜粒子就会发生燃烧甚至爆炸；更为新奇的是，平常铜是家用生活中最好的导电体，然而当铜颗粒尺寸到达纳米级别时，就变得不能导电；碳纳米管的强度比刚强百倍；实验表明，如何让水变的不透明，就是往1.1365Kg水中加入千分之一的某种金属纳米粒子，水将变得不再透明，说明了这种金属纳米粒子的吸收光线能力非常强...。种种现象表明，纳米粒子具有平常材料所达不到的性能，我们可以更好的利用一些纳米粒子的特性来改善我们的生活，因此我们要研究、探寻纳米粒子更多的性质。
1.1 纳米氧化铝的种类
1.1.1 纳米氧化铝的分类
Al2O3有多种晶型结构和名称，常见的有三种，即：γ-Al2O3、β-Al2O3和α-Al2O3。除 β-Al2O3是含钠离子的Na2O-11Al2O3外，其他几种全是Al2O3的变体。晶型在高温1000~1600oC条件下煅烧，将几乎全部转变为α-Al2O3。
(1) γ-Al2O3
γ-Al2O3是一种多孔物质，具有巨大的表面积，它具有很强的吸附能力和很高的催
化活性，因此，大量用作催化剂载体，使一些活性很高但价格昂贵的催化剂均匀分布在载体表面，可使催化剂被最大化利用，因此可以减少催化剂用量。γ-Al2O3是非常常用的过渡晶型氧化铝，属于尖晶石型结构。γ-Al2O3的生产制备工艺较为简单，形成温度在500-700℃范围内。γ-Al2O3粒子的粒径通常在5-20nm之间，因此具有巨大的比表面积。由于上述γ-Al2O3的种种特性，使得γ-Al2O3有更多的用途。
(2) β-Al2O3
β-Al2O3是一种 Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物[2]，它的化学组成可以近似地用 MeO·6Al2O3和 Me2O·11Al2O3来表示(MeO 碱土金属氧化物，Me2O 碱金属氧化物)，其结构由碱金属或碱土金属离子[NaO]－层和[Al11O12]+类型的尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方堆积，钠离子完全包含在垂直 c 轴的松散堆积的[NaO]—一层平面内，并且在这个平面内可以很快扩散，在适当条件下，它具有很高的离子电导，在 300oC时，钠离子扩散系数可以达到 1×10-5cm2/s，电导率达到 3×10-3S/m。利用上述电导性质，可以用来制作钠硫电池和钠溴电池的隔膜材料，广泛地应用在电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起搏器中。
(3) α-Al2O3
α-Al2O3又名刚玉，是自然界中唯一存在的晶型。因为自然原因，天然刚玉中都会有微量元素杂质存在于晶型中，主要有铬、钛等而使天然刚玉带有不同颜色。刚玉的晶体形态常呈桶状、柱状和板状，晶型大都完整，具有玻璃光泽。α-Al2O3属六方晶系，氧离子近似于六方密堆排列，即ABAB···二层重复型。在每一晶胞中有4个铝离子进入空隙，图1-1为α-Al2O3结构中铝离子填入氧离子紧密堆积所形成的八面体间隙。
图1-1 α-Al2O3结构示意图[3]
由于α-Al2O3熔点高，可达2050oC，耐热性强、耐腐蚀性和耐磨性均很优良，因此α-Al2O3是所有Al2O3晶型中使用最多的一种，从而广泛的应用在结构与功能陶瓷中，用在耐磨材料、集成电路的基板、高硬材料、耐火材料等领域[4,5]。
1.2 纳米氧化铝的制备方法
纳米氧化铝是一种尺寸为1~l00nm的超微颗粒，具有很多特性，如很强的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因为其在电、光、热上有此特殊的性能，所以广泛用于荧光材料、精细陶瓷、复合材料、湿敏性传感器及红外吸收材料等[6]。然而纳米粒子颗粒粒径的大小很大程度上决定了纳米粒子的性能。因此如何制备高纯超细的纳米氧化铝成为首要问题，目前也有很多制备方法能解决纳米粒子粒径的问题。
纳米Al2O3粉体的制备方法目前大致可归纳为气相法、固相法和液相法三大类，但随着技术的不断发展，越来越多的制备方法被提出，同时各种方法也被不断完善。在众多制备方法中，液相法是研究最多的方法，同时也是最好制备纳米氧化铝的方法。在液相法制备纳米氧化铝粉体过程中，从溶液配制、前驱体制备、静置陈化到洗涤过滤干燥、研磨过筛、煅烧，其中每一步都会导致晶粒粒度的变化，因此液相中防止晶粒变大成为首要问题[7]。
1.2.1 气相法
气相法就是将拟生长的晶体材料通过等离子体、激光蒸发、电子束加热、电弧加热等方式将物质变成气体，经过升华、蒸发、分解等过程转化为气相，在气态状态下发生物理或化学反应，经冷凝结晶而生长成晶体。气相法可分为物理气相沉积法和化学气相沉积法两大类。
其优点是晶体纯度高、完整度高，只要控制反应气体和气体的稀薄程度就可得到粒径均匀的的超细粉末，颗粒分散性好、粒径小、分布窄；缺点是晶体生长速度慢，导致生产率过低，只有1～15 g/L，各种因素的控制难度高，粉末的收集较难。
1.2.1.1 化学气相沉积法
该法是使AlCl3溶液在远离热力学的临界反应温度下，形成过饱和蒸汽压，与氧气反应，生成氧化铝，并自动聚成晶核；晶核在加热区不断长大，聚集成颗粒；随着气流进入低温区，颗粒长大，聚集，晶化停止，最终收集到纳米氧化铝粉体。
1.2.1.2 等离子气相合成法
马兵等[8]采用等离子体法制备特种超细氧化铝。该方法以氧化铝水合物、铝盐、
纳米氧化铝粉体除了具有纳米效应，在光、电、力学和化学反应等许多方面也表现出一系列的优异性能，已成为一种应用广泛的纳米材料。本文主要研究了纳米氧化铝粉体的制备方法，利用溶胶凝胶法制备氧化铝前驱体，通过不同的煅烧温度来制备超细氧化铝粉。通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜分析（SEM)等分析手段来检测实验样品，从而对实验结果进行分析研究。实验反应产物前驱体为NH4AlO(OH) HCO3，在一定温度煅烧后，粉体为γ-Al2O3相，粉体粒度为15~35纳米，纳米氧化铝粉体的粒径随煅烧温度的升高而减小。
关键词 纳米氧化铝，制备，溶胶凝胶，粉体粒径
1 引言 1
1.1 纳米氧化铝的种类 1
1.2 纳米氧化铝的制备方法 3
1.3 纳米材料的应用 6
1.4 本论文研究目的及主要内容 7
2 实验部分 8
2.1 实验原理 8
2.2 实验所用的材料及仪器 9
2.3 实验工艺流程及步骤 10
2.4 实验的测试方法 11
3 实验结果与讨论 12
3.1 前驱体实验分析 12
3.2 样品煅烧后实验分析 13
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献...23
1 引言
纳米材料指在三维空间中至少有一维尺寸处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这就相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。包括非金属、金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。纳米材料可分为纳米固体材料与纳米超微粒子两个层面。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既不是典型的微观系统也不是典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等纳米粒子效应；纳米微粒是纳米固体的基本构成单元，排列成一维的量子线（纳米纤维），二维的量子面（纳米微粒膜）、三维的纳米固体（纳米材料）[1]。
纳米材料具有很多特殊的性质，其性质既不同于分子、原子，也不同于宏观物体，性质上的变化是由纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的，例如：当粒子尺寸为10nm时，其表面原子数量占总原子数量的40%，而当其尺寸达到1nm时，其表面原子数量占总原子数激增到99%，基本上都被表面原子覆盖，被基本上没有被包围的原子；在日常中，铜是不会燃烧的，但当其颗粒达到几纳米时，遇到空气纳米铜粒子就会发生燃烧甚至爆炸；更为新奇的是，平常铜是家用生活中最好的导电体，然而当铜颗粒尺寸到达纳米级别时，就变得不能导电；碳纳米管的强度比刚强百倍；实验表明，如何让水变的不透明，就是往1.1365Kg水中加入千分之一的某种金属纳米粒子，水将变得不再透明，说明了这种金属纳米粒子的吸收光线能力非常强...。种种现象表明，纳米粒子具有平常材料所达不到的性能，我们可以更好的利用一些纳米粒子的特性来改善我们的生活，因此我们要研究、探寻纳米粒子更多的性质。
1.1 纳米氧化铝的种类
1.1.1 纳米氧化铝的分类
Al2O3有多种晶型结构和名称，常见的有三种，即：γ-Al2O3、β-Al2O3和α-Al2O3。除 β-Al2O3是含钠离子的Na2O-11Al2O3外，其他几种全是Al2O3的变体。晶型在高温1000~1600oC条件下煅烧，将几乎全部转变为α-Al2O3。
(1) γ-Al2O3
γ-Al2O3是一种多孔物质，具有巨大的表面积，它具有很强的吸附能力和很高的催
化活性，因此，大量用作催化剂载体，使一些活性很高但价格昂贵的催化剂均匀分布在载体表面，可使催化剂被最大化利用，因此可以减少催化剂用量。γ-Al2O3是非常常用的过渡晶型氧化铝，属于尖晶石型结构。γ-Al2O3的生产制备工艺较为简单，形成温度在500-700℃范围内。γ-Al2O3粒子的粒径通常在5-20nm之间，因此具有巨大的比表面积。由于上述γ-Al2O3的种种特性，使得γ-Al2O3有更多的用途。
(2) β-Al2O3
β-Al2O3是一种 Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物[2]，它的化学组成可以近似地用 MeO·6Al2O3和 Me2O·11Al2O3来表示(MeO 碱土金属氧化物，Me2O 碱金属氧化物)，其结构由碱金属或碱土金属离子[NaO]－层和[Al11O12]+类型的尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方堆积，钠离子完全包含在垂直 c 轴的松散堆积的[NaO]—一层平面内，并且在这个平面内可以很快扩散，在适当条件下，它具有很高的离子电导，在 300oC时，钠离子扩散系数可以达到 1×10-5cm2/s，电导率达到 3×10-3S/m。利用上述电导性质，可以用来制作钠硫电池和钠溴电池的隔膜材料，广泛地应用在电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起搏器中。
(3) α-Al2O3
α-Al2O3又名刚玉，是自然界中唯一存在的晶型。因为自然原因，天然刚玉中都会有微量元素杂质存在于晶型中，主要有铬、钛等而使天然刚玉带有不同颜色。刚玉的晶体形态常呈桶状、柱状和板状，晶型大都完整，具有玻璃光泽。α-Al2O3属六方晶系，氧离子近似于六方密堆排列，即ABAB···二层重复型。在每一晶胞中有4个铝离子进入空隙，图1-1为α-Al2O3结构中铝离子填入氧离子紧密堆积所形成的八面体间隙。
图1-1 α-Al2O3结构示意图[3]
由于α-Al2O3熔点高，可达2050oC，耐热性强、耐腐蚀性和耐磨性均很优良，因此α-Al2O3是所有Al2O3晶型中使用最多的一种，从而广泛的应用在结构与功能陶瓷中，用在耐磨材料、集成电路的基板、高硬材料、耐火材料等领域[4,5]。
1.2 纳米氧化铝的制备方法
纳米氧化铝是一种尺寸为1~l00nm的超微颗粒，具有很多特性，如很强的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因为其在电、光、热上有此特殊的性能，所以广泛用于荧光材料、精细陶瓷、复合材料、湿敏性传感器及红外吸收材料等[6]。然而纳米粒子颗粒粒径的大小很大程度上决定了纳米粒子的性能。因此如何制备高纯超细的纳米氧化铝成为首要问题，目前也有很多制备方法能解决纳米粒子粒径的问题。
纳米Al2O3粉体的制备方法目前大致可归纳为气相法、固相法和液相法三大类，但随着技术的不断发展，越来越多的制备方法被提出，同时各种方法也被不断完善。在众多制备方法中，液相法是研究最多的方法，同时也是最好制备纳米氧化铝的方法。在液相法制备纳米氧化铝粉体过程中，从溶液配制、前驱体制备、静置陈化到洗涤过滤干燥、研磨过筛、煅烧，其中每一步都会导致晶粒粒度的变化，因此液相中防止晶粒变大成为首要问题[7]。
1.2.1 气相法
气相法就是将拟生长的晶体材料通过等离子体、激光蒸发、电子束加热、电弧加热等方式将物质变成气体，经过升华、蒸发、分解等过程转化为气相，在气态状态下发生物理或化学反应，经冷凝结晶而生长成晶体。气相法可分为物理气相沉积法和化学气相沉积法两大类。
其优点是晶体纯度高、完整度高，只要控制反应气体和气体的稀薄程度就可得到粒径均匀的的超细粉末，颗粒分散性好、粒径小、分布窄；缺点是晶体生长速度慢，导致生产率过低，只有1～15 g/L，各种因素的控制难度高，粉末的收集较难。
1.2.1.1 化学气相沉积法
该法是使AlCl3溶液在远离热力学的临界反应温度下，形成过饱和蒸汽压，与氧气反应，生成氧化铝，并自动聚成晶核；晶核在加热区不断长大，聚集成颗粒；随着气流进入低温区，颗粒长大，聚集，晶化停止，最终收集到纳米氧化铝粉体。
1.2.1.2 等离子气相合成法
马兵等[8]采用等离子体法制备特种超细氧化铝。该方法以氧化铝水合物、铝盐、
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