1.1 Alumina krystallstruktur
Alumina har en relativt kompleks struktur, der den er delt inn i to kategorier basert på arrangementet av O2-: kubisk struktur (fcc) eller sekskantet tettpakket struktur (hcp). Innenfor disse to hovedkategoriene kan ytterligere klassifisering gjøres basert på Al3+, blant hvilke (kubisk), η (kubisk), θ (monoklinisk) og δ (ortorombisk) strukturer er basert på fcc-gitteret, mens (trigonale), κ (ortorombiske) og χ (heksagonale) er hcpgonale.
-Al2O3-krystallstrukturen har O2- arrangert i en heksagonal tett-pakket struktur, med de resterende delene som danner oktaedriske interstitielle steder, og Al3+ fyller 2/3 av de interstitielle stedene, og sikrer dermed at den kjemiske formelen til alumina er -Al2O3. Fyllingsprinsippet til Al3+ i oktaedriske interstitielle nettsteder tilfredsstiller Paulings regler, det vil si at avstanden mellom Al3+ innenfor samme lag og mellom lag bør holdes så langt fra hverandre som mulig [1].
-Al2O3 er videre delt inn i flak-som -Al2O3 og sfærisk -Al2O3. Flake-som -Al2O3 viser en to-plan struktur i rommet, med liten tykkelse og et forhold med stor diameter-til{16}}tykkelse. Den tilberedes vanligvis ved hjelp av tre metoder: våtkjemi, faststoffreaksjon og smeltet saltmetode. Den sfæriske -Al2O3-strukturen er hovedsakelig arrangert i tre-dimensjonalt rom, og dens vekst i den to-dimensjonale retningen må undertrykkes under forberedelse, så metoder som homogen nedbør, hydrotermisk metode, dryppkulemetode, malmetode, sprøytemetode og plasmaelektrolyse brukes hovedsakelig her. Sfærisk -Al2O3 er relativt vanskeligere å tilberede.
-Al2O3-krystallstrukturen er preget av kubisk tett pakking av O2-, og danner derved en oktaedrisk struktur. Denne strukturen utvikler seg videre til en spinellstruktur, der 32 kubikk tettpakkede O-atomer utgjør enhetscellen. I spinellstrukturen danner 32 O-atomer 8 tetraedriske hulrom og 16 oktaedriske hulrom, hvor 67/3 aluminiumsatomer er tilfeldig fordelt i hulrommene, mens 8/3 ledige plasser eksisterer [2].
Karakteristikken til -Al2O3-krystallstrukturen ligger i dens høye spesifikke overflate og vidt distribuerte aktive sentre. Ved passende katalytiske temperaturer utviser dette materialet god stabilitet. Derfor har -Al2O3-katalysatorer brede bruksmuligheter i industri og vitenskapelig forskning på grunn av deres høye selektivitet.
-Al2O3 er den mest stabile krystallformen av alumina, og de andre krystallformene er ustabile og kalles overgangsfaser. Disse overgangsfasene vil til slutt transformeres til den stabile -Al2O3-strukturen under visse forhold, så -Al2O3 er også den siste transformasjonsfasen av alumina. Derfor finnes det bare -Al2O3 i naturen, i form av naturlige mineraler som naturlig korund, rubin og safir. Denne strukturen kalles også korundkrystallstrukturen [3-4].
1.2 Alumina keramikk
Alumina-keramikk er et-høyytelses keramisk materiale. På grunn av deres utmerkede fysiske og kjemiske egenskaper, er de mye brukt i tøffe miljøer som høy temperatur, høy styrke, høy slitestyrke og høy isolasjon. Deres utviklingshistorie kan spores tilbake til slutten av 1800-tallet. På grunn av sin høye styrke og stivhet er alumina-keramikk en av de mest populære oksidkeramikkene. På samme tid, på grunn av deres generelle mekaniske, elektriske og optiske egenskaper, brukes alumina-keramikk i mange moderne industrielle felt.
Alumina-keramikk har høy hardhet, med en Rockwell-hardhet på HRA80-90, som er nest etter diamant. Slitestyrken til alumina-keramikk tilsvarer 266 ganger den for manganstål og 171,5 ganger den for høy-kromstøpejern. Under samme arbeidsforhold kan det forlenge levetiden til utstyret med minst ti ganger. Tettheten av aluminiumoksyd keramisk materiale er 3,7 ~ 3,95 g/cm³, bare halvparten av stål, som også kan redusere utstyrsbelastningen betydelig. Samtidig har den også fordeler som høy varmeledningsevne, god resistivitet og termisk stabilitet, og en liten dielektrisk konstant. Det er det foretrukne materialet for en ny generasjon av mikroelektroniske enheter og systemer og har blitt hovedmaterialet for kretssubstrater innen felt som romfart, 5G-kommunikasjon, høy-halvledere og høyeffekts LED-belysning [5].
Høy-renhetsteknologi for ultrafint aluminiumoksydpulver er en av nøkkelfaktorene som begrenser den raske utviklingen av spesielle keramiske aluminiumoksydmaterialer, og er også et nøkkelledd for å redusere kostnader og øke effektiviteten i industriell produksjon. Utviklingen av nye metoder for å tilberede keramiske pulvere av høy-kvalitet er av stor betydning for utviklingen av keramiske materialer og relaterte høy-teknologiske felt.
2
Alumina Powder Preparation Technology
2.1 Klassifisering av alumina-forløpere
Fremstillingen av alumina involverer vanligvis termisk dekomponering av aluminiumoksydhydrater, som utfelles fra løsninger som inneholder Al3+-ioner eller organometalliske forbindelser. Studier har vist at denne konverteringsprosessen (som dehydrering av boehmitt til -Al2O3) er en totaktisk reaksjon som gjør at den mikroskopiske morfologien til forløperen kan beholdes i aluminaen. Derfor er egenskapene til alumina nært knyttet til hydratforløperen.
I henhold til forskjeller i struktur og vanninnhold inkluderer alumina-forløpere hovedsakelig gibbsitt, bayeritt, nordstranditt og diaspore, blant hvilke diaspore er videre delt inn i diaspore og boehmitt. Gibbsitt er hovedkomponenten i bauxitt i tropiske områder. Som sluttproduktet av den kommersielle Bayer-prosessen produseres det i stor skala ved alkalisk utfelling av Al3+ og er mye brukt som flammehemmende middel, tilsetningsstoff for polymerer og papir, tannkremfyllstoff og stabilisator for titandioksid. Krystallstrukturen til gibbsite tilhører det monokliniske systemet, med aluminium-oksygenoktaedre forbundet med kanter for å danne en lagdelt struktur, og arrangementet av dobbel-lagsstabling kan uttrykkes som AB BA AB BA.... Boehmitt, også kjent som pseudo-boehmitt. Det kan syntetiseres hydrotermisk ved bruk av gibbsitt som råmateriale, eller oppnås ved kontrollert brenning av bayeritt. Bøhmitt tilhører det ortorhombiske systemet, med aluminium-oksygenoktaedre forbundet med kanter og arrangert på en trinnvis måte, og lagene er forbundet med hydrogenbindinger. I den oktaedriske strukturen er oksygenatomer ordnet på den måten ABC ABC....
Blant ulike aluminiumhydroksidforløpere er pseudo-boehmitt en type hydrat med relativt lav krystallinitet. Den er preget av høyt spesifikt overflateareal, rikelig med porer, en positivt ladet overflate, lett dispergering i vann og hydroksyl-holdige løsemidler og god gelløselighet under sure forhold. Disse egenskapene gjør pseudo-boehmitt mye brukt som katalysatorbærer og bindemiddel, og det er også et viktig mellomprodukt for å produsere aktivert alumina [6].
2.2 Fremstillingsmetoder for aluminiumoksydpulver
2.2.1 Gassfasemetode
Gassfasemetoden bruker direkte gass eller fordamper reaktanter gjennom forskjellige oppvarmingsmetoder, forårsaker fysisk-kjemiske reaksjoner i gassform, og til slutt kondenserer for å danne ultrafine pulvere. Denne typen metode har milde reaksjonsbetingelser, enkel kontroll av agglomerering, god partikkeldispergerbarhet, liten partikkelstørrelse og smal fordeling; Ulempen er ekstremt lavt utbytte, og produksjonskostnadene er vanskelige å kontrollere.
I gassfasemetoden må råmaterialene være fullstendig fordampet før reaksjonen, noe som bruker mye energi, og reaksjonen krever en stor mengde inert gass med svært lav luftfuktighet, noe som resulterer i relativt høye kostnader for gassfasemetoden.
Kjemisk dampavsetning (CVD) er en vanlig gassfasemetode for fremstilling av nano-aluminiumoksyd. Denne metoden bruker aluminiumklorid og vanndamp for å reagere i et reaksjonskammer for å generere aluminananopulver. Vanlige CVD-metoder inkluderer flamme CVD, laserpyrolyse CVD og andre. Han Shizhong et al. [7] tilberedt aluminiumoksydpulver med høy-renhet med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 5,6 nm ved plasmaorganometallisk CVD, som reagerer i et oksygenmiljø ved 1000 grader og 5,3 kPa for å oppnå sfærisk nano-aluminapulver.
2.2.2 Væskefasemetoden
Væskefasemetoden innebærer oppløsning av aluminiumsalter i et bestemt løsningsmiddel, separering av oppløst stoff og løsningsmiddel gjennom fordampning, sublimering, tilsetning av utfellingsmiddel, hydrolyse og andre metoder for å oppnå partikler av en viss form og størrelse, det vil si å forberede forløperen til Al2O3-pulver, og til slutt oppvarming og dekomponering av forløperen.
For det første eksisterer aluminiumelementet i løsningen i ionisk form og kan løses i vannløsningsmidler eller organiske løsningsmidler som triklormetyl, etanol og toluen gjennom aluminiumsalter som aluminiumsulfat, aluminiumsek-butoksid og natriummetaluminat. Deretter kan aluminiumionene avsettes og utfelles i form av kovalente oksider gjennom metoder som hydrolyse og fordampning av aluminiumsalter, eller ved å bruke utfellingsmidler som ammoniumkarbonat, natriumhydroksid, urea og svovelsyre. Til slutt blir bunnfallet vasket og tørket eller kalsinert ved høy temperatur for å oppnå ønsket aluminiumoksydkrystallform [8-9].
Spray pyrolyseteknologi
Spraypyrolyseteknologi, også kjent som flammespraypyrolyseteknologi, er en metode for å tilberede ultrafint aluminapulver basert på ultralydgenererte mikron-store aerosoldråper som varmes opp og dekomponeres ved 400 grader ~800 grader. Laine et al. [10] vellykket renset flerfaset aluminapulver ved bruk av spraypyrolyseteknologi, og oppnådde høy-nano-aluminapulver med en partikkelstørrelse på 50 nm~80 nm og -faserenhet på 50%~85%.
Alkoksydhydrolysemetode
Alkoksydhydrolysemetoden innebærer å tilberede en løsning fra et egnet vann-oppløselig aluminiumsalt i henhold til støkiometriske proporsjoner, deretter velge et utfellingsmiddel som kan reagere med metallioner for å danne et bunnfall, og til slutt varme og dehydrere bunnfallet for å oppnå ultrafint pulver [11]. Vanlige alkoksydhydrolysemetoder inkluderer svovel-utslipps-fri aluminiumammoniumsulfatmetode og aluminiumammoniumkarbonatmetoden, etc. [12-13].
Zhong Lianyun et al. [14] brukte analytisk rent aluminiumnitrat og ammoniumbikarbonat som de viktigste råvarene for å fremstille nano-Al2O3-pulver ved hjelp av co-utfellingsmetoden. Den gjennomsnittlige partikkelstørrelsen til det forberedte nano-Al2O3-pulveret var 20 nm~30 nm. Tilsetning av det overflateaktive stoffet PEG6000 forbedret dispersjonsytelsen til -Al2O3-pulver.
Forbedret Bayer-prosess
Bayer-prosessen utnytter endringen i løselighet av aluminiumoksid i alkalisk løsning, ved å bruke konsentrert natriumhydroksidløsning for å omdanne aluminiumhydroksid til natriumaluminat, deretter separere uløselige stoffer gjennom utfelling, og til slutt re-utfelling av aluminiumhydroksid ved fortynning og tilsetning av aluminiumhydroksyd, etterfulgt av seed-hydroksyd og dehydrering av aluminium. alumina pulver.
De siste årene, gjennom kontinuerlig foredling av Bayer-prosessen, har det blitt utviklet nye metoder som er i stand til effektiv desilisering [15]. Den forbedrede Bayer-prosessen forbedrer hovedsakelig fremstillingen av natriumhydroksid og natriumfjerning, utfører desilisering og fjerning av jern på natriumaluminat, og regulerer nedbrytningsforholdene for å oppnå høy-renhet aluminiumhydroksid. Under denne prosessen utfelles aluminiumhydroksid sakte, noe som effektivt reduserer forekomsten av unormale krystallkjerner og reduserer også inkorporeringen av natrium- og silisiumurenheter. Til slutt oppnås aluminiumoksyd med høy-renhet gjennom høy-temperaturkalsinering og maling.
Sol-gelmetode
Sol-gelmetoden er en enkel og effektiv metode for å syntetisere nano-aluminiumoksyd. I motsetning til utfellingsmetoden, som i utgangspunktet konverteres til sol og gel, gjennomgår aluminiumsalter og amin- eller ammoniumsaltløsninger med høy -renhet hydrolyse eller polymerisering for å danne en forløpergel, som deretter alkohol-vaskes, eldes og til slutt kalsineres for å oppnå aluminiumoksydpulver.
Noen forskere har også gjort tekniske forbedringer basert på den tradisjonelle sol-gel-metoden. For eksempel tok Zhu Zuoyuan [16] i bruk en hybridprosess med metallalkoksydhydrolyse og sol-gelmetode for å fremstille ultrafint aluminapulver med høy-renhet. Først ble aluminiumspulver med renhet større enn eller lik 2N oppvarmet for å syntetisere aluminiumalkoksydløsning, uløselige partikkelformige urenheter ble fjernet ved mikrofiltrering, og etter aldring ble hydrolyse utført. En tørr gel ble oppnådd ved destillasjon, og til slutt ble aluminiumoksydpulver med høy-renhet oppnådd ved høy-temperaturkalsinering.
Aluminiumalkoksydmetode
Aluminiumalkoksydmetoden tilhører den teknologiske iterasjonen av alkoksydhydrolysemetoden. Det innebærer å tilsette metallaluminiumflak til isopropanolløsning for reaksjon for å generere aluminiumisopropoksid, deretter hydrolysere aluminiumisopropoksid for å generere hydratisert alumina, og etter trinn som aldring, filtrering, tørking og dehydreringsaktivering, oppnår man til slutt aluminapulver med relativt høy sintringsaktivitet.
Yang Conglin et al. [17] brukte metallaluminium og karbonalkohol som råmaterialer for å syntetisere aluminiumalkoksyd med høy-renhet, og fremstilte hydratisert aluminiumoksyd ved alkoksydhydrolyse, eliminerte vakuumdestillasjonsprosessen med høye utstyrskrav, og oppnådde til slutt 5N-grad høy-renhet med pulver av ultrafin alcinina eller pulver av lik renhetsgrad, ultrafin alcinina, 99,999 % og partikkelstørrelse på 0,1 µm~0,3 µm. Aluminapulveret fremstilt ved denne metoden har høy renhet, og fremstillingsprosessen er enkel med sterk kontrollerbarhet av produktet.
2.2.3 Fastfasemetoden
Fastfasemetoden er en metode der to eller flere pulvere blandes og reageres direkte under en viss temperatur og atmosfære for å generere nano-aluminiumoksid.
Mekanisk knusemetode
Den mekaniske knusemetoden bruker ulike ultrafinknusere (høy-kulemøller, planetkulemøller, tårnmøller, jetmøller osv.) for å direkte knuse og male råmaterialer til ultrafint pulver. Blant dem er høy-kulemøller mye brukt. De knuser aluminapulver mekanisk i vann eller alkoholmedier for å tilberede ultrafint aluminapulver med høy-renhet. Gjennom vibrasjonen og rotasjonen av kulemøllen tilføres energi til råvarene, noe som gjør at råvarene blir sterkt påvirket av harde kuler, knust til fine partikler eller aktivert til å gjennomgå kjemiske reaksjoner, og derved tilberede ultrafint pulver.
Detonasjonsmetode
Detonasjonsmetoden kan også brukes som en fast-fasemetode for å fremstille aluminapulver. Denne metoden utfører forbrenningsreaksjoner inne i en beholder med konstant-volum og genererer en stor mengde gass. Derfor fortsetter den øyeblikkelige reaksjonen ofte under høyt trykk, undertrykker det mettede damptrykket til reaktantene og øker faseovergangstemperaturen under normalt trykk, noe som bidrar til stabil dannelse av enfaset metastabilt aluminiumoksydpulver. Detonasjonsmetoden har høye krav til produksjonsutstyr, vanskelig produksjonsprosesskontroll, lavt utbytte og relativt høye produksjonskostnader.
Peng et al. [18] oppnådde forskjellige detonasjonsresultater ved å kontrollere pH-verdien til glycin-aluminiumnitratsystemet. Resultatene viste at et alkalisk miljø effektivt kan kontrollere kornstørrelse, redusere andelen amorfe faser og øke spesifikt overflateareal, mens agglomerering av varierende grad skjer i miljøer med pH mindre enn eller lik 6.
3
Sammendrag
Ultrafint aluminapulver med høy-renhet, på grunn av dets avanserte fysiske og kjemiske egenskaper, har utvidet bruksscenarioene for aluminapulver kraftig og er et nøkkelråmateriale i moderne avansert produksjon. For tiden har de viktigste produksjonsmetodene for ultrafint aluminapulver med høy-renhet i Kina ulemper som komplekse prosesser, vanskelig kontroll av tekniske forhold, høye kostnader og alvorlig forurensning. Med den kontinuerlige utviklingen av Kinas økonomi vil etterspørselen etter ultrafin alumina med høy-renhet fortsette å øke, og fremtidige krav til utstyrspresisjon, forberedelsesprosesser, kontrollteknologi, energisparing og miljøvern vil også bli høyere og høyere.