纳米氧化铝

纳米氧化铝的研究与应用本课题研究的目的与意义一、纳米材料是指其一维尺度小于100nm，且具有常规材料乃至常规微细粉末材料所不具备的许多反常特性的一类材料。氧化铝与其他材料相比，它具有许多独特、优良的性能，如高熔点(2015℃)、较高的室温和高温强度，高的化学稳定性和接点介电性能，电绝缘性好，硬度高(莫氏硬度9)，耐磨性好且成本低廉。因而氧化铝陶瓷可用于制造高速切削工具，高温热电耦套管、化工高压机械泵零件、内燃机火花塞、人工关节及航空磁流体发电材料等多种陶瓷器件。纳米氧化铝材料的特殊光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象、在高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性，以及各种纳米粉体材料共有的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使其在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等领域有广阔的应用前景。本课题研究的目的与意义二、氧化铝是在地壳中含量非常丰富的一种氧化物。而具有量子效应的纳米氧化铝粉体还可带来高化学活性、高比表面能、独特光吸收作用等各种优异性能，可广泛应用于冶金、机械、化工等领域。因此研究和开发纳米氧化铝材料的制备工艺及其应用，具有重要的社会效益和经济价值。氧化铝的分类根据氧化铝的晶型转变温度不同，氧化铝又分为低温型和高温型。已经确定的氧化铝有α，β，γ，θ，κ，η，ρ，χ等几种。其中最主要的是γ-氧化铝和α-氧化铝。氧化铝随温度不同晶型发生转化的顺序为：纳米氧化铝机械化学法微乳液反应法水热合成法溶胶—凝胶法等离子体法激光诱导气相沉积法化学气相沉积法碳酸铝铵热解法硫酸铝铵热解法沉淀法相转移分离法醇盐水解法氧化铝纳米纤维介孔纳米氧化铝纳米氧化铝的制备方法1、固相法固相法是将金属铝或铝盐直接研磨或加热分解后，再经过煅烧处理，发生固相反应后直接得到纳米氧化铝的一种方法。纳米氧化铝的制备方法1.1机械化学法机械化学法是将铝粉与其他金属氧化物在球磨条件下进行固相反应生成氧化铝粉末。通过对ZnO和铝进行球磨，使得ZnO和铝发生固相反应，并使ZnO被还原成锌，铝被氧化成氧化铝，以此得到10～50nm的无定形氧化铝粒子。这种反应所需要的温度要远低于燃烧反应，可以在较低的温度环境下控制反应逐步进行，因而可应用于抗腐蚀、抗磨涂层以及金属模板复合物增强材料的制备中。纳米氧化铝的制备方法1.2硫酸铝铵热解法硫酸铝铵热解法是把硫酸铝铵加热分解，得到氧化铝粉体的制备方法。有报道通过聚乙二醇改性可以制得平均粒径25nm的氧化铝，硫酸铝铵热解法可以运用于大规模生产，但是反应中出现等有害气体SO2而会引起环境污染。纳米氧化铝的制备方法1.3碳酸铝铵热解法该法先把硫酸铝铵加人碳酸氢铵使之反应转化为碱式碳酸铝铵，再把高纯的碱式碳酸铝铵加热分解，粉体再经过转相和粉碎，得到高纯超细氧化铝粉体。该法其实是对硫酸铝铵热解中硫酸铝铵分解排放出有害气体SO2的情况而做的改良。纳米氧化铝的制备方法2、气相法气相法是直接使物质在气态下发生物理、化学反应，并在冷却过程中形成纳米粉体的方法。纳米氧化铝的制备方法2.1化学气相沉积法该方法是使氯化铝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。纳米氧化铝的制备方法2.2激光诱导气相沉积法该法主要利用激光照射铝靶，使之融化产生氧化铝蒸气，冷却得到纳米氧化铝。该法具有表面清洁、无粘结、粒度分布均匀、可精确控制等优点，产物粒径可从几纳米到几十纳米。纳米氧化铝的制备方法2.3等离子体法等离子气相合成法可分为直流电弧等离子体法、高频等离子体法和复合等离子体法等。直流电弧等离子体法利用电弧间产生高温，在反应气体等离子化的同时，电极熔化或蒸发；高频等离子体法能量利用率低，产物稳定性差；复合等离子体法不需电极，产物纯度、生产效率、系统稳定性都较高。等离子体法还可以通过加热气体使之变为等离子气体，进而在等离子气体气氛下使铝盐与空气发生反应，最后骤冷产物凝聚成微小的颗粒，生成的氧化铝产物可以在反应容器的壁上收集。纳米氧化铝的制备方法3、液相法液相法制备纳米氧化铝粉体通常是选择一种或几种可溶性铝盐，按成分计量配成溶液，使各元素呈离子或分子态，然后再用另一种沉淀剂将所需物质均匀沉淀，结晶出来，最后经热处理制得纳米氧化铝粉体。纳米氧化铝的制备方法3.1溶胶—凝胶法溶胶一凝胶法是利用无机铝盐或醇铝盐的水解和聚合反应制备氢氧化铝溶胶，待胶体稳定后，再干燥浓缩成透明凝胶，在不同热处理条件下煅烧，可得不同晶型的纳米氧化铝。其中控制溶胶凝胶化的主要参数有溶液的PH、溶液浓度、反应温度和时间等。通过改变工艺条件，可制备出粒径小、粒径分布窄的纳米氧化铝，并会因条件不同得到不同形态的氧化铝产物。纳米氧化铝的制备方法3.2微乳液反应法由于沉淀法和醇铝水解法所得到的氧化铝微粒径分布较大，有人提出了用微乳液反应法制备纳级氧化铝细微粒。此类方法考虑到微乳液的特殊构，特别是有机相包围着水相的W/O型微乳体，金属盐类可以溶解在水相中，形成极其微小而被面活性剂或油相包围着的水核。在这些水核中发沉淀反应所产生的微粒可以十分微小，而且也很匀，且整个制备过程可以严格重复。但是由于所得粒子过细，固液分离较难进行，抽滤和离心分离果不好。纳米氧化铝的制备方法3.3水热合成法水热合成法作为液相制备纳米粒子的一种新方，近些年引起人们的重视。水热法就是在特制的密闭反应容器(高压釜)里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶，用来生长各种单晶，是制备超细、无团聚或少团聚、结晶完好的粉体材料的一种新工艺新方法。纳米氧化铝的制备方法3.4相转移分离法该方法主要是用铝盐溶液和氢氧化钠或氨水等碱性溶液反应，产生氢氧化铝溶胶；再在水溶胶中加入表面活性剂，抑制核的生长和凝聚，然后加入有机溶剂，使粒子转入到有机相中；最后油水分离，蒸馏或减压蒸馏除去溶剂，将所得产物干燥、煅烧得到氧化铝纳米粒子。此种方法的关键是利用表面活性剂将水溶液中的胶粒转移到油相中，然后除去水相，达到将胶体粒子和水相分离的目的。纳米氧化铝的制备方法3.5沉淀法沉淀法为在溶液状态下向溶液中加入适当的沉淀剂来制备前驱体的沉淀，再煅烧得氧化铝粉末。它包括直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒的方法；共沉淀法是把沉淀剂加入到混合后的金属盐溶液中，促使各组分均匀混合沉淀，然后加热分解得超细微粒；均匀沉淀法是在溶液中加入某种物质，使之通过溶液中的化学反应缓慢生成沉淀剂，只要控制沉淀剂的生成速度，就可以避免浓度不均匀现象，使过饱和度控制在适当的范围内，从而控制粒子的生长速度，获得团聚少、纯度高的超细粉。纳米氧化铝的制备方法3.6醇盐水解法醇盐水解法是通过醇盐在水中分解来获得所需产物的方法。醇盐水解法是制备各种超细氧化物粉末的方法之一。金属醇盐溶于有机溶剂，且遇水极易分解成相应的氧化物或是水合氧化物。通过调整溶液体系的各种参数和表面活性剂，可得到不同形貌以及不同粒径分布的纳米粒子，引用醇盐水解法制备氧化铝，会因条件不同而得到不同的产物，既可获得AI(OH)非晶质及晶体粉末，也可获得透明的溶胶。纳米氧化铝的制备方法4氧化铝纳米纤维纳米纤维是指空间有两维处于纳米尺度范围的纤维。纳米氧化铝的制备方法5介孔纳米氧化铝的制备介孔材料通常也可叫作中孔材料，是纳米材料的重要组成部分。中孔材料孔径范围在2—50nm之间。孔径小于2nm的称为微孔材料，而大于50nm的称为大孔材料。纳米介孔氧化铝由于其比表面积大，晶粒尺寸小，而广泛应用于催化剂载体、吸附剂等领域。纳米氧化铝新制备工艺溶胶凝胶法的改进对撞射流粉碎法超临界抗溶剂法改进机械法纳米粒子诱导法爆炸法液相火焰喷射热解法溶液燃烧分解法纳米氧化铝的应用1.活性催化剂和催化剂载体氧化铝具有明显的吸附剂特征，并能活化许多键，如H—H键，C—H键等，因此在烃类裂化、醇类脱水制醚等反应中可直接作为活性催化剂加人反应体系中，如乙醇脱水产生乙烯。由于氧化铝表面同时存在酸性中心和碱性中心，因此氧化铝本身就是一种极好的催化剂。氧化铝尺寸小，表面所占的体积分数大，表面原子配位不全等导致表面活性位置增加，而且随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应的接触面，因而纳米氧化铝是理想的催化剂或催化剂载体。纳米氧化铝的应用2.表面防护层材料将纳米氧化铝粒子喷涂在金属、陶瓷、塑料、玻璃、漆料及硬质合金的表面上，可明显提高表面强度、耐磨性和耐腐蚀性，且具有防污、防尘、防水等功能，因此可用于机械、刀具、化工管道等表面防护。有报道在AISI304不锈钢表面涂氧化铝防护层，使得表面硬度由3.8GPa提高到10.8GPa，并且在受到同样的负载下，表面压痕深度减少了30%左右。纳米氧化铝的应用3.光学材料纳米氧化铝可以吸收紫外光，并且在某些波长光的激发下可以产生出与粒子尺寸相关的波长的光波。氧化铝可烧结成透明陶瓷，作为高压钠灯管的材料；可用作紧凑型荧光灯中荧光粉层的保护涂膜；还可和稀土荧光粉复合制成荧光灯管的发光材料，提高灯管寿命。此外，纳米氧化铝多孔膜有红外吸收性能，可制成隐身材料用于军事领域；利用其对80nm紫外光的吸收效果可作紫外屏蔽材料和化妆品添加剂。纳米氧化铝的应用4.陶瓷材料在常规氧化铝陶瓷中添加5%的纳米级氧化铝粉体，可改善陶瓷的韧性，降低烧结温度。由于纳米氧化铝，粉体的超塑性，解决了因低温脆性而限制其应用范围的缺点，因此在低温塑性氧化铝陶瓷中得到广泛应用。在其它陶瓷基体中加人少量的纳米级氧化铝，，可以使材料的力学性能得到成倍的提高，其中以SiC氧化铝纳米复合材料最为显著，共抗弯强度从单相碳化硅陶瓷的300～400MPa提高到1GPa，经过热处理可达1.5GPa，材料的断裂韧性提高幅度也在40%以上。纳米氧化铝的应用5.电子工业纳米氧化铝由于具有巨大的表面和界面，对外界湿度变化敏感，而且稳定性高，是理想的湿敏传感器和湿电温度计材料L5。同时，它还具有良好的电绝缘性、化学耐久性、耐热性、抗辐射能力强、介电常数高、表面平整均匀，可用作半导体材料和大规模集成电路的衬底材料，广泛应用于微电子、电子和信息产业。纳米氧化铝的应用6.生物医药材料氧化铝生物陶瓷在生理环境中基本上不发生腐蚀，具有良好的结构相容性，新生组织长人多孔陶瓷表面上交连贯通的孔隙，与机体组织之间的结合强度较高，并且有强度高、摩擦系数小、磨损率低等特性。因此在人体骨骼上应用比较广泛，已用于制作承力的人工骨、关节修复体、牙根种植体、折骨夹板与内固定器件、药物缓释载体等。由氧化铝和氧化锆复合制得的陶瓷材料，具有很高的强度和韧性，是良好的美容牙科修复材料。纳米氧化铝的应用7.氧化铝纳米复合材料纳米复合材料可按显微结构的不同分为晶内型、晶间型、晶内/晶间型及纳米/纳米型纳米颗粒分布于基体晶粒内的是晶内型，纳米颗粒分布在基体晶粒间的是晶间型，上述两种情况都有的是晶内/晶间型，分散相与基体相的晶粒都是纳米尺度的结构是纳米/纳米型.目前制备纳米/纳米型结构的复合材料还有一定的困难。纳米氧化铝的发展前景我国纳米氧化铝市场前景良好，利润空间较大。作为一种有广泛用途的纳米材料，纳米氧化铝市场前景广阔。预计到2010年，国内市场需求量将达到2573t，并且由于其优异的特性，市场需求强劲.市场价格连年增长，利润空间较大。相信随着纳米技术的发展和市场的规范，在不久的将来.我国纳米氧化铝产业将逐步走向成熟，为我国国民经济增长做出贡献。