关键词： 氮化铝   纳米材料   溶液燃烧合成   陶瓷烧结   力学性能  

摘要： 氮化铝(AlN)陶瓷由于其优异的性能目前在集成电路、半导体、微波器件、红外窗口、蒸发舟皿等领域有着广泛的应用和巨大的潜力。现有的利用碳热还原法制备AlN粉末的生产工艺存在碳热还原温度高、原料混合均匀难、原料获取难、能耗高等突出问题。溶液燃烧合成(SCS)作为一种适合制备纳米粉末的有效方法,具有所合成产物活性高、成分均匀、原料易获取、能耗低等众多优势。本文将利用这种方法来制备纳米AlN粉末,研究内容主要包括以下几个方面:(1)采用溶液燃烧合成无定形A1203和C的混合前驱体,以NH3作为反应气体,成功制备出超细纳米AlN粉末。研究了燃烧气氛对合成前驱体的粒度形貌、碳含量以及比表面积的影响,对比不同气氛中燃烧合成前驱体进行碳热还原反应的差异。在Ar中燃烧合成前驱体的碳铝原子比为4.4:1,比表面积为7.4m2/g,在1000℃氮化就生成AlN相,在1300℃氮化2h实现完全氮化,获得粒径20～30nm的超细纳米AlN粉末。无助剂纳米AlN粉末常压1600℃烧结4h后致密度达到98.5%。热力学计算结果表明,无定形Al2O3在NH3中进行碳热还原反应的热力学开始温度为1068℃,无定形A1203在热力学上的开始氮化温度要比γ-Al2O3低50℃。(2)研究了溶液燃烧合成前驱体在低温氮化过程中的物相变化,研究了前驱体中C对A1203结晶相变及碳热还原反应的影响,研究了 AlN颗粒的形核和结晶规律。以N2为反应气体,燃烧合成前驱体的开始氮化温度为]300℃,比球磨混合前驱体的低200℃。在1500℃氮化2h实现完全氮化,获得粒径80～1 00nm的纳米AlN粉末。在碳热还原反应过程中,C不仅起到了还原A12O3的作用,同时抑制了 A1203从高活性晶型向稳定晶型的转变。在燃烧合成前驱体的碳热还原反应过程中,无定形A1203在转变成结晶态A12O3之前,优先与C发生碳热还原反应生成AlN相,这无疑加快了氮化反应进程。AlN相的生成主要分为以下几个阶段,在氮化反应开始阶段,无定形态AlN首先在前驱体的片状颗粒上均匀形核;随后局部区域的无定形态AlN优先发生结晶转变;随着氮化反应的进行,不断发生AlN的形核、结晶和长大;最终所有的A1203全部转变成AlN后,达到完全氮化。(3)研究了溶液燃烧合成纳米AlN粉末的常压烧结致密化规律,研究了烧结助剂、压制压力以及预处理对致密度、显微组织及陶瓷性能的影响。无助剂纳米AlN粉末进行常压烧结时,1700℃烧结4h致密度达到98.4%,维氏硬度和抗弯强度分别为1040HV0.3和277.41MPa。添加3%氧化钇的纳米AlN粉末常压1600℃烧结4h致密度达到99.5%,维氏硬度和抗弯强度分别达到1310HV0.3和350.34MPa。纳米AlN粉在较低压制压力成形后烧结就可以获得高致密度的陶瓷,压制压力过高时坯体会在卸压后发生弹性膨胀,在生坯中产生孔隙和裂纹,从而造成陶瓷致密度和力学性能下降。对AlN脱脂坯进行预处理能降低坯体的氧、碳含量,随着陶瓷中氧含量的降低,第二相种类由富铝盐向着富钇盐转变。预处理提高了 AlN陶瓷的抗弯强度和热导率,经预处理的AlN陶瓷中,1300℃预处理5h的AlN陶瓷抗弯强度为最高值549.28MPa,比未预处理的AlN陶瓷提高了 59.0%,在1500℃预处理10h的AlN陶瓷热导率为最高值144.98W/m·K,比未预处理的AlN陶瓷提高了36.5%。

关键词： 氧化铝   高纯超细粉体   化学共沉淀   煅烧   烧结活性  

摘要： 高纯超细氧化铝粉体具有高耐磨性、耐高温腐蚀性、高电阻率、高导热性等特性,并且成本低廉,储量丰富,被广泛应用于机械工业、耐火材料、电子工业、照明、石油化工及航空航天等领域。化学共沉淀法具有设备简单、原料价格低、产率高、粉体纯度高等优点,是规模化生产高纯超细氧化铝粉体的有效方法。但是化学共沉淀法工艺条件多,工艺参数对制备粉体质量的影响复杂,且制得粉体易团聚。因此本文以硫酸铝铵和碳酸氢铵为原料,采用化学共沉淀法制备前驱体并通过煅烧前驱体制备高纯超细氧化铝粉体,设计正交实验系统研究了沉淀反应中温度、滴加速度、pH对前驱体及氧化铝粉体制备的综合影响,并通过添加晶种、添加分散剂及预煅烧处理和球磨工艺等方式,研究了前驱体的煅烧过程和煅烧制得氧化铝粉体的烧结活性,为高纯超细氧化铝粉体的工业稳定生产和应用提供了实验依据。以反应温度、pH、滴加速度为因素,设计三因素四水平正交实验,通过SEM、XRD、FT-IR等测试方法表征前驱体和氧化铝粉体的物相、形貌、粒度分布等,发现:pH是影响生成前驱体物相及结晶相晶粒尺寸的主要因素,硫酸铝铵溶液的滴加速度是影响氧化铝粉体粒度和α-Al2O3相含量的主要因素,温度是影响前驱体碳酸铝铵相晶粒尺寸和氧化铝粉体粒度的重要因素。优化工艺后,添加3 wt.%的晶种,控制温度为5℃、滴加速度为2 mL/min、pH=10时反应制备的前驱体经过1100℃煅烧2 h后可以得到分散性较好的蠕虫状氧化铝粉体。粉体成型后在1400℃保温4 h烧成陶瓷的相对密度为93%,在1500℃保温4 h可制备相对密度98.1%的氧化铝陶瓷。对碳酸铝铵的煅烧过程进行研究,发现预煅烧处理和球磨工艺改变了煅烧得到粉体颗粒的形状,从蠕虫状变为棱角分明的多面体块状颗粒。700℃以上温度预煅烧并球磨处理提高了粉体的α-Al2O3相的相变温度,且随着预煅烧温度的提高,粉体相变温度的提高更加显著。预煅烧并球磨处理增大了煅烧得到粉体的晶粒尺寸,且随着预煅烧温度的提高,得到粉体晶粒尺寸的增大更加显著。碳酸铝铵经球磨24 h后在1100℃煅烧2 h可以得到平均粒径为183 nm且分散性良好的棱角块状纯α相氧化铝粉体。粉体成型后在1400℃烧结的相对密度达到91.9%,在1500℃烧结可制备相对密度99.55%的氧化铝陶瓷。通过在反应体系中添加分散剂聚乙二醇（PEG）,发现分散剂聚乙二醇对氧化铝粉体烧结活性的影响与聚乙二醇的分子量及总添加量有关。PEG2000的添加有利于抑制溶液中颗粒的团聚,提高煅烧得到氧化铝粉体的烧结活性。添加分子量较低的PEG200对提高氧化铝粉体的烧结活性无明显作用。添加分子量更高的PEG11000可以提高煅烧得到氧化铝粉体的烧结活性,但效果不如PEG2000。PEG的添加量过多会降低煅烧得到氧化铝粉体的烧结活性。添加0.5 wt.%的PEG2000制备的氧化铝粉体在1400℃烧成陶瓷的相对密度为98.5%,在1500℃保温4 h可制备相对密度为99.23%的氧化铝陶瓷。

关键词： 高铝粉煤灰   介孔材料   吸附   Cd(Ⅱ)   吸附动力学  

摘要： 粉煤灰是燃煤电厂的一种固体废弃物,排放量巨大。其大量堆存将导致大气、土壤和地下水污染,是当前我国重点处理的固废物之一。2018年我国粉煤灰综合利用率为71%,然而其利用途径主要集中于建筑、生产回填等初低级价值领域。我国内蒙古、山西等地存在的一种高铝煤炭资源,燃烧后产生的粉煤灰中氧化铝含量超过40%,是一种潜在的铝硅资源。镉是铅锌冶炼废水中一种典型的有毒重金属环境污染物。吸附法可有效处理水中的镉污染,吸附剂的选择至关重要。介孔材料被广泛应用于吸附领域,但是制备介孔材料的原料价格高昂,限制了其在吸附领域广泛应用,而寻找廉价原料可以有效解决这个问题。基于上述现状,本论文提出以高铝粉煤灰为廉价原料,提取其中硅、铝资源制备介孔材料并将其用于吸附去除水中的Cd(Ⅱ)。粉煤灰中铝、硅元素主要以莫来石相(AlSiO)存在,化学性质稳定,碱熔融法可以高效活化粉煤灰,将其中的莫来石相转化为易与酸反应的硅酸钠、钠长石等。故本论文以碳酸钠为活化剂,采用碱熔融法活化内蒙古高铝粉煤灰,酸浸提取其中硅、铝资源,制备铝基、硅基和硅铝基三种介孔材料,并将其作为吸附剂应用于水中Cd(Ⅱ)的吸附去除研究,结合物相结构、孔径分布和微观形貌等表面性质的表征,得到以下结论:(1)利用HNO/HCl溶液浸提粉煤灰活化产物中的铝资源,以P123为模板剂,采用共沉淀法制备了介孔铝基材料。发现,相同条件下,HNO溶液浸提制备的介孔氧化铝吸附去除水中Cd(Ⅱ)的性能明显优于HCl溶液浸提制备的介孔氧化铝,其中又以600℃煅烧得到的介孔铝基吸附剂(N/AlO-600)表现最佳,15 min内就达到了99.88%的吸附率(初始Cd(Ⅱ)浓度为20 mg/L),吸附容量达25 mg/g,且该吸附剂p H适应范围宽,在水体p H值为2～7范围内均表现出优良的吸附性能,其吸附动力学曲线符合准二级动力学模型,吸附反应属于化学吸附。表征发现,N/AlO-600的比表面积达201 m/g,介孔孔道较有序,平均孔道为6.5 nm,且其上还分布着Fe、Ca、Ti等元素。可能是由于粉煤灰中的Fe、Ca、Ti元素通过酸浸伴随铝液进入铝基材料;吸附Cd(Ⅱ)后,Al、Fe、Ti元素的化学位移均有变化,故推测γ-AlO、AlO、FeO和TiO都是Cd(Ⅱ)吸附的活性物种。(2)以上述HNO提铝后所得氧化硅滤渣为硅源,以CTAB为模板剂采用水热法合成了大比表面积的介孔硅基材料。考察了晶化温度的影响,发现90℃下晶化得到的介孔硅基吸附剂(Si O-90)对水中Cd(Ⅱ)的吸附性能最佳,30 min内吸附率为99.48%(初始Cd(Ⅱ)浓度为20 mg/L),吸附容量达到42 mg/g,Si O-90吸附剂在p H为3～7的范围内吸附性能优良,对水中Cd(Ⅱ)的吸附动力学曲线符合准二级动力学模型,属于化学吸附。表征发现,Si O-90的孔道呈海绵状,具备535 m/g的比表面积和1.0 cm/g的孔体积,同样观察到其上还存在着Al、Ti等物种,对Cd(Ⅱ)的吸附起活性作用。(3)将粉煤灰活化产物用盐酸处理,加入P123模板剂使之与溶液中的铝组分作用,采用共沉淀法将铝沉淀到氧化硅上形成硅铝复合吸附剂。考察了盐酸的加入量对材料的影响,发现盐酸加入量为10 ml时制备的硅铝复合吸附剂(Si-Al-10)对Cd(Ⅱ)的吸附效果最好,30 min内吸附率可达99.63%(初始Cd(Ⅱ)浓度为20 mg/L),吸附容量为23.6 mg/g,吸附液p H为3～7范围内Si-Al-10对水中Cd(Ⅱ)的吸附性能优良,吸附动力学曲线符合准二级动力学模型,属于化学吸附。表征发现,Si-Al-10的比表面积为192 m/g,其表面呈坑洼状,有明显孔道结构,以氧化铝和氧化硅为主要成分,有钠长石相存在,说明氧化铝和氧化硅之间有较强相互作用。综上可知,利用高铝粉煤灰为制备的3种介孔材料对水中Cd(Ⅱ)的吸附,均具有吸附速率快,吸附效率率高,p H适用范围广的特点,对低Cd(Ⅱ)浓度废水中的Cd(Ⅱ)有优异的吸附去除效果,有较好的应用前景。

关键词： 沉淀法   低温燃烧法   氧化铝   纳米粉   前驱体  

摘要： 近年来,随着纳米科技的不断发展,越来越多的纳米材料进入到了人们的视线中。作为特种功能材料之一的纳米氧化铝是一种高熔点氧化物,具有高强度、高硬度、耐热、耐磨、耐腐蚀等一系列优异特性,致使纳米氧化铝被广泛的应用于生物催化、航空军事以及电池新能源等领域,是光学单晶及精细陶瓷的重要原料。现如今,开发制备纳米氧化铝粉末的方法越来越多,其中湿化学法中的沉淀法具有原料成本低、设备、工艺简单、生产的粉末纯度高、粒度小、粒度分布窄、粒度组成可控性好等显著的优点。但是该法制备粉末过程中存在着严重的粉末团聚问题。团聚是当今纳米级超细粉体制备领域内一个普遍关心、亟待解决的问题。本实验探究了不同工艺条件对粉体团聚的影响以及反絮凝剂和传统分散剂在沉淀法和低温燃烧法两种方法制备纳米氧化铝粉体过程中的作用机理。本文先以九水合硝酸铝和碳酸氢铵为原料,在沉淀反应体系中引入超声波场,制备了不同干燥方式、反应温度和表面活性剂的种类和用量下的前驱体和目标粉体。再以九水硝酸铝和甘露醇为原料,在低温燃烧体系中,同样制备了不同摩尔比、反应温度、pH值以及反絮凝剂和传统分散剂不同比例添加下的目标粉体,利用扫描电子显微镜(SEM)观察它们的形貌和团聚情况。并结合热重差热分析(TG-DSC)和X射线衍射(XRD)分析粉体的成分组成,借助激光粒度仪得出粉体的粒径范围。获得以下主要研究结果:沉淀反应体系:(1)以Al(NO3)3·9H2O为铝源,以NH4HCO3为沉淀剂,质量比为1:8时,采用普通干燥方式比冷冻干燥方式制备的粉体团聚现象严重;(2)超声波对改善粉体团聚有一定影响。当体系中引入超声波时,可制备出粒径较均匀,分散性好的氧化铝粉体;(3)反应温度对粉体的硬团聚有一定影响。当水浴温度为25℃时,粉体的团聚现象不明显,温度升高时,粉体的团聚现象明显,但粒径分布变窄;(4)表面活性剂PEG6000对团聚有影响。当添加量为6%时,粉体的团聚现象得到明显抑制;(5)当枸椽酸钠与硝酸铝的摩尔比为0.3:1时可以获得粒径更细、分散性更好的纳米氧化铝粉体;进一步添加6%的PEG6000,可以使粉体更易于分散,粒度分布更窄。低温燃烧反应体系:(1)当n(Al(NO3)3:n(CH2(OH)(CHOH)4CH2OH)为1.5时获得的粉体粒径分布均匀,分散性及球形度更好;(2)煅烧温度达到1000℃时,晶型逐渐从γ-Al2O3向α-Al2O3转变。在1100℃时完全转变为α-Al2O3;(3)体系的pH值对粉体团聚有影响,当pH值为4时,粉体的团聚情况得到明显改善;(4)表面活性剂PEG6000对粉体的团聚及粒度分布有影响。当PEG6000添加量为6%时,所得到粉体的硬团聚得到了明显的抑制。

关键词： 铝粉   聚四氟乙烯   机械力活化   烧结   改性  

摘要： 铝粉凭借其高反应热被广泛应用于含能材料配方中,但实际应用时,其点火延迟及燃烧不充分等现象导致铝粉高能优势未被充分发挥。PTFE含氟量高达75%,可以和铝粉反应生成Al F3,促进体系释能,同时改善铝粉性能。本文选择PTFE包覆铝粉,通过机械力活化-烧结法实现复合材料的制备,主要针对制备参数和复合材料改性效果及安全性能开展了研究,旨在为未来复合材料在配方中的高效应用提供依据。主要研究工作及成果如下:首先,进行Al/PTFE复合材料制备技术路线设计。通过预处理提高铝粉表面活性,进而采用机械力活化实现PTFE包覆Al,再通过烧结处理进一步提高包覆均匀度。其次,针对机械力活化过程制备参数对性能的影响开展了研究。通过设计正交试验,选择原料配比、球料比、球磨转速和持续时间四个参数,以燃烧过程最高压力作为评价指标,得到机械力活化过程的最优参数组合:Al:PTFE配比为65:35,球料比为12:1,球磨转速为250 rpm,持续时间为45 min;在未触发反应的持续时间阈值内,四个因素对性能的影响程度排序为:配比>球料比>转速>球磨持续时间。然后,针对烧结处理及其过程参数对性能的影响开展了研究。通过形貌及燃烧压力表征发现烧结处理可提高PTFE在铝粉表面的包覆均匀度,复合材料燃烧最高压力和增压率与未烧结的相比分别提高了12.5%与10%。进而对烧结处理过程中PTFE的含量以及烧结温度开展了探究,宏观燃速试验与分子动力学模拟结果表明,当PTFE含量在20%～35%,烧结温度为340℃时,烧结处理效果较好。最后,对Al/PTFE的改性效果和安全性能开展了研究。微观形貌与宏观燃烧性能测试分析发现,与简单机械混合的样品相比,机械力活化-烧结得到的样品具有更好的分散性和包覆均匀度;红外热成像及燃烧产物成分分析试验表明,形成的燃料/氧化剂复合材料接触面积增大,扩散距离缩短,燃烧反应更完全;化学安定性试验显示,与原料铝粉相比,复合材料的安全性能显著提高,为后阶段的配方应用提供了依据和安全保障。

关键词： 泡沫率   粉末冶金   发泡   制备工艺  

摘要： 泡沫铝是铝基金属材料在发泡剂释放出的大量气泡作用下形成多孔隙结构的新型复合材料。由于其高孔隙率、低密度的独特结构特点,使泡沫铝拥有传统材料难以比拟的功能特性,比如:良好的减振、隔音、抗冲击、吸能及电磁屏蔽等,因而被作为结构、功能一体化材料,广泛地应用于建筑、交通、国防、航运、航天等众多领域,同时,有关泡沫铝制备工艺的相关研究也成为冶金领域研究的重要课题之一。为此,本文基于粉末冶金法,在对泡沫铝粉末冶金制备工艺进行分析的基础上,在泡沫铝发泡试验中采用工艺参数控制方法,研究了发泡剂、发泡温度、发泡时间及添加剂等因素对泡沫铝发泡行为及其制品性能的影响。

关键词： 氧化铝   液相法   醇铝水解法   中和法  

摘要： 活性氧化铝是一种热稳定性好、表面积适中、孔容和孔径可调、吸附性能好以及具有表面酸性的多孔材料,作为催化剂载体被广泛使用。液相法是目前实验室研究及工业应用最广泛的合成活性氧化铝粉体的方法,该方法制备的粉体具有粒度分布窄、形貌规整等优点。本文对醇铝水解法、中和法等主要液相法进行了综述。

关键词： 氮化铝   泡沫   粉体   合成  

摘要： 本研究使用改良的碳热还原氮化法合成超细氮化铝粉体。以γ氧化铝和蔗糖作为铝源和碳源,先预处理制备成多孔泡沫,再通过碳热还原氮化法合成氮化铝粉体。反应过程和产物通过X射线衍射分析、SEM和TEM确定。X射线衍射分析表明整个反应过程不存在氧化铝的相转变。高分辨透射电子显微镜显示γ-Al2O3颗粒被无定型碳包裹,从而抑制了γ-Al2O3到α-Al2O3的相转变。泡沫的多孔结构促进了氮气的扩散和反应副产物的释放,使得最低反应温度降低至1450℃。SEM结果表明得到的氮化铝颗粒粒径大约为50nm。本研究合成的氮化铝粉体可用于制备高热导氮化铝陶瓷。

关键词： 纤维板   氧化铝   物理力学性能  

摘要： 探讨氧化铝粉体施加量对复合纤维板性能的影响,采用不同施加量的氧化铝粉与已施胶木质纤维进行混合分别制备复合纤维板,测试分析吸水厚度膨胀率和力学强度,并表征其微观分布形貌。结果表明,在本试验条件范围内,氧化铝粉体施加量由3%增加至15%时,氧化铝颗粒分布逐渐致密,复合纤维板的吸水厚度膨胀率未见较大的变化,内结合强度、静曲强度及弹性模量呈递减趋势,相关物理力学性能均达到GB/T31765—2015《高密度纤维板》中潮湿型高密度纤维板要求。

关键词： 氢氧化铝   低钠   超细   研磨  

摘要： 文章以中国铝业股份有限公司广西分公司生产的氢氧化铝产品为原料,经过研磨细化、除钠等步骤制备出了低钠超细氢氧化铝粉体。利用SEM、激光粒度分析仪和电感耦合等离子光谱仪等设备分析测试粉体的微观结构、粒度和钠含量,研究了影响粉体粒度和钠含量的因素,制备了Na2O含量为0.11%、粒径为1μm的低钠超细氢氧化铝粉体。