关键词： 两段法   直接焙烧法   氧化铝   脱钠   焙烧   球磨  

摘要： 高温低钠氧化铝属于化学品氧化铝,低钠氧化铝主要指的是氧化钠质量分数小于0.1%的氧化铝,通常可用来制备高级电绝缘体,当粒度(D(0.5)<3μm)和晶型(w[α相]≥95%)也能满足一定要求时,还可以用来制备高级耐火耐磨陶瓷材料等。现有的工艺很难既满足大批量低成本的生产又满足生产的产品综合性能优越。本文开发了两种流程简单、成本较低、设备常规的高温低钠氧化铝制备工艺,且制备的高温低钠氧化铝满足综合指标要求。本文分别采用两段法和直接焙烧法制备高温低钠氧化铝,采用表面与孔径测量仪、扫描电镜、DSC热重分析、XRD物相分析、ICP原子光谱分析等分析检测手段主要研究了焙烧过程中氧化铝结构的变化以及相变规律、添加剂对氧化铝结晶方式的影响、脱钠剂的作用机理、不同球磨条件对颗粒粒径的影响等,研究结果如下:(1)开发了两段法制备高温低钠氧化铝粉体材料的工艺,该工艺包括预焙烧、脱钠剂水洗脱钠、球磨细化颗粒、煅烧转型、二次球磨五道工序。制备的样品氧化钠质量分数小于0.1%、平均粒径在1～3 μm、α相质量分数超过99%。(2)预焙烧过程中,以3℃/min的升温速率升温至500℃,焙烧得到的活性氧化铝比表面积最大,达176.15 m2/g,此时通过水洗可将Na2O质量分数由0.275%降至0.131%。添加过量4倍的冰乙酸,再通过水洗,Na2O质量分数可降至最低,为0.074%。(3)焙烧转型过程中,工业氢氧化铝由过渡型氧化铝向α-氧化铝转变的最低相变温度为1150℃,且α相含量随焙烧温度的升高而增加。转变速率曲线近似一条抛物线,峰值位于1100～1150℃范围内,此温度段α相转变速率大概为0.6%/℃,对应温度的α相质量分数在40%～45%之间。温度在140℃时,α相质量分数可达到96%。添加剂的加入可有效抑制晶粒长大,促进相转变。分别添加0.05%的纳米α-Al2O3晶种和碱式碳酸镁,原晶粒度可由1 μm左右分别降至600 nm和500 nm,α相由96.00%均提高到99.00%以上。(4)开发了直接焙烧法制备高温低钠氧化铝粉体材料的工艺,工艺包括添加矿化剂高温焙烧、稀酸洗深度除钠以及球磨细化颗粒。该工艺制备的样品氧化钠质量分数小于0.05%、平均粒径在7 μm以下、α相质量分数大于96%。(5)高温焙烧过程中,矿化剂脱钠能力随着焙烧温度的升高逐渐增强,当焙烧温度为1400℃,分别添加1%的H3BO3、NH4Cl、NH4F矿化剂能将Na2O质量分数从0.32%降低至0.082%、0.070%、0.053%,三种氧化铝的α相质量分数均大于95%。添加质量分数为0.012%的稀盐酸将矿化剂脱钠后的粉体进一步水洗,按上述添加矿化剂的种类的样品氧化钠质量分数依次为0.049%、0.044%、0.043%,达到超低钠水平。(6)矿化剂在一定程度上能够促进晶粒长大,分别添加1%的H3BO3、NH4Cl、NH4F矿化剂焙烧产物原晶粒度依次为3 μm、1μm、5μm左右,球磨后颗粒平均粒度分别是3.870 μm、2.216 μm、6.094 μm。三种氧化铝粉体的粒度分布曲线均接近于正态分布,颗粒粒度分散良好。(7)两种工艺制备的氧化铝粉体指标均能达到高温低钠氧化铝水平,两段法制备的粉体材料纯度较纯,基本不引入其他杂质,氧化钠质量分数小于1.00%,平均粒径较细。直接焙烧法制备的氧化铝粉体材料氧化钠质量分数小于0.05%,达到超低钠水平,但在纯度跟粒径方面较两段法存在不足。两种工艺工艺流程简单,易于扩大实验以至于推广于工业化生产。

关键词： 高纯超细粉体   氧化铝   煅烧   氧化铝晶种  

摘要： 由于氧化铝材料有着优异的物理化学性质,目前高纯超细的氧化铝粉体被广泛应用于陶瓷材料、电池隔膜材料、衬底材料、电子元件材料等工业领域中。我国目前商用的高纯超细α-Al2O3粉体仍然主要依赖于进口,我国量产的α-Al2O3粉体仍然存在相变温度高、粒度分布范围宽、团聚现象严重等一系列问题。因而批量化生产高纯超细α-Al2O3粉体成为目前研究的重点。本论文主要研究目的是降低α-Al2O3粉体的相变温度,改善α-Al2O3粉体的微观形貌,消除粉体的硬团聚,使得α-Al2O3粉体粒度分布均匀,粒径减小,同时粉体有较好的烧结性能。本实验所用的原料是纯度为5N的勃姆石粉体。通过在原料中添加α-Al2O3晶种以及AlF3来降低粉体的煅烧温度,减轻粉体的团聚,并同时改善粉体微观形貌。结果表明添加3 wt.%α-Al2O3晶种和0.6 wt.%AlF3可以极大的降低粉体相变温度,并且使得制备的α-Al2O3粉体微观形貌为近等轴状;在此基础上通过添加无机酸来提高粉体的分散性,最佳添加机制为:添加浓盐酸浓度为0.15 mol/L,同时探究最佳煅烧机制为两步煅烧,将前驱体粉体先在400℃下煅烧2 h后,再进行球磨处理,最后在1000℃下煅烧2 h。在此工艺条件下制备得到的粉体分散性良好,粒径（D50）达到了 0.72μm,比表面积为10.6m2/g,粉体微观形貌为近等轴状。通过对制备的几组前驱体样品进行综合热分析处理,来探究粉体相变的微观过程。探究发现粉体相变过程主要是,在250～350℃时,勃姆石相变为不定形氧化铝,之后在350～450℃时,相变为过渡相氧化铝,最终在1000℃时,相变为α-Al2O3。通过Doyle-Ozawa法以及Kissinger法计算粉体相变活化能,得出在添加3 wt.%α-Al2O3晶种和0.6 wt.%AlF3后,可以降低粉体相变活化能为25 kJ/mol。将性能良好的粉体通过干压法,制备得到氧化铝陶瓷坯体,通过在不同温度下进行烧结,结果表明在1550℃的烧结温度下,添加浓盐酸浓度为0.15 mol/L,并经过两步煅烧的粉体的烧结性能最佳,陶瓷样品的相对密度达到97.35%,线性收缩率为26.31%。

关键词： 高铝粉煤灰   堇青石-莫来石   酸处理   脱硅   烧成  

摘要： 为了实现高铝粉煤灰的高值化利用,以高铝粉煤灰为单一铝硅原料,依次对其进行酸、碱预处理,将处理后的高铝粉煤灰与滑石粉混合,通过一步原位烧成制备堇青石-莫来石复合材料,进一步考察原料配比和烧成条件对烧成样品性能的影响规律。结果表明,烧成温度为1 370℃、烧成时间为2 h、堇青石和莫来石理论质量比为50∶50时,可制备出体积密度为1.96 g/cm^3、显气孔率为30.47%、常温抗折强度为66.44 MPa的堇青石-莫来石复合材料,其主要指标均达到YB/T 4549—2016《堇青石-莫来石窑具》的要求,该方法实现了以粉煤灰为主要原料,灵活制备具有不同堇青石和莫来石配比的复合材料,为高铝粉煤灰的高值化利用提供新途径。

关键词： 层流等离子体束   等离子体球化   球形氧化铝粉末   高球化率   物相定性分析  

摘要： 为研究非转移弧层流等离子体制备面向新材料领域的μm级球形氧化铝粉末的能力,使用自制的非转移弧分段式阳极层流等离子体球化设备,以载气送粉的方式,对η相的不规则μm级三氧化二铝粉末进行等离子体球化处理,并采用均匀设计法,研究等离子体发生器和送粉器不同的工作参数对氧化铝粉末球化率的影响规律。结果表明,实验所采用的直流非转移弧层流等离子体发生器能有效制备球化率接近100%的高球化率球形氧化铝粉末。实验发现,高球化率、高分散性和粒径大小均匀的球形氧化铝粉末可在不同工艺参数组合下制备,并证明了采用非转移弧分段式阳极层流等离子体发生器可实现较低功率下制备较高球化率球形氧化铝的可行性。实验还通过XRD与PDF卡片索引技术对球化前后的氧化铝粉末进行了物相定性分析,发现η相的氧化铝粉末经射流作用转化成了Corundum型的氧化铝粉末。

关键词： 氧化铝粉体   流延   粒度分布   粉体性能  

摘要： 采用流延法制备了96氧化铝陶瓷基片。研究了氧化铝粉体的粒度、粒度分布、微观形貌等粉体性能对氧化铝陶瓷基片的烧结性能、微观结构的影响。研究结果表明：粒径分布均匀且无明显团聚的氧化铝粉体有利于获得平整度高,表面光滑的高质量流延膜片,并具有较好的性能。

关键词： 射频热等离子体   氧化铝粉末   运动轨迹   加热历程   数值模拟  

摘要： 研究粉末颗粒在热等离子体(ICTP)中的行为可以为射频等离子体制备球形粉末工艺过程的优化提供参考。首先,利用FLUENT软件对具有不同粒径分布的氧化铝粉末颗粒在射频热等离子体中的运动轨迹及加热历程进行了数值模拟;然后,根据模拟结果所确定的实验参数范围进行了射频热等离子体粉末球化实验,并将实验测量与数值模拟的结果相结合,研究了输入功率、送粉速率等参数的改变对具有不同粒径分布的氧化铝粉末球化效果的影响。研究结果表明:粒径较小的氧化铝粉末颗粒在飞行过程中可以从等离子体内吸收更多的热量,因此能够被充分加热至完全熔化;增加系统输入功率、降低送粉速率均能提高单位质量的颗粒从等离子体中获得的能量,从而在一定程度上提升氧化铝粉末的球化率。

关键词： 机械活化含能材料   铝粉   聚四氟乙烯(PTFE)   球磨   微观性能  

摘要： 为了研究铝粉/聚四氟乙烯机械活化含能材料的微观性能,利用自制高能球磨机制备了不同球磨时间的机械活化含能材料,利用场发射扫描电镜分析了机械活化含能材料的微观形貌及表面元素分布,利用X射线衍射仪和红外光谱仪表征了材料的物相结构和化学结构。进一步利用分子动力学手段研究了铝粉的不同晶面与聚四氟乙烯的相互作用。结果表明,在长时间的强机械能作用下,聚四氟乙烯和铝粉紧密接触在一起,形成直径为100μm左右的薄片状复合物;球磨20min以后,铝粉和聚四氟乙烯分散得较为均匀,但离完全均匀分散还有一定差距;高能球磨仅能引起铝粉/聚四氟乙烯复合材料微观物理结构的变化;分子动力学计算显示,铝粉的不同晶面与聚四氟乙烯相互作用的过程中,范德华力占主导地位。

关键词： 机械化学法   悬浮稳定   窄粒级分布   亚微米级α相氧化铝   涂覆改性PE隔膜  

摘要： 该论文通过机械化学法制备亚微米级窄粒级分布的α相氧化铝粉体并将其应用在氧化铝陶瓷烧结和锂离子电池隔膜涂覆改性方面。首先对D50=2.7μm、GSD=6的α相氧化铝粉体,进行酸碱砂磨实验,比较研磨时间、研磨转速、研磨介质等对粉体颗粒粒度、晶相及浆料流变性的影响,从砂磨机耗能及研磨效率等方面得出最佳操作参数;后对研磨浆料进行悬浮稳定及分级研究,根据分散原理不同研究分散方式等工艺条件对悬浮稳定的影响,得出最佳分散条件;在最佳分散条件下进行分级实验,比较离心分级与静置沉降的粒度分布与沉降时间的关系,冷冻干燥得到窄粒径分布的亚微米级氧化铝粉体;最后将分级出来的亚微米级窄粒级分布的α相氧化铝粉体应用到氧化铝陶瓷烧结与锂离子电池隔膜涂覆改性中,分别研究了该粉体对烧结陶瓷致密性的影响和涂覆亚微米级窄粒径分布的α相氧化铝粉体对PE隔膜的物理性能的改进。主要结果如下:(1)机械化学法制备亚微米级氧化铝粉体。通过对浆料固相浓度、流变性和球磨转速、介质等工艺参数的研究控制,成功确定短时间7h内获得理想粒径的粉体条件为固含量50%,pH=2的浆料,选择0.6mm大小的钇稳定氧化锆磨珠、额定转速2200rpm。所制备的亚微米级氧化铝粉体比表面积由原来的5.24m2/g变为8.27m2/g;晶型在研磨后未有改变,但各晶面均有不同程度的破坏,结晶度降低。(2)对球磨浆料进行悬浮稳定的研究,得出最佳分散条件为固相质量分数为1%、pH=2、温度50℃、静电球磨的分散方式,且利用分时分点取样方式、-37℃冷冻干燥成功制得0.4-0.6μm,窄粒级分布的的α-氧化铝粉体。(3)研究了亚微米级窄粒级分布的α相氧化铝粉体在陶瓷致密度与锂离子隔膜涂覆改性方面的应用探讨。在无助烧剂、50MPa干压条件下成功将陶瓷烧结密度由3.75g/cm3提高到3.80g/cm3,使得相对密度达到95%以上。将其涂覆到PE隔膜,表明对其物理性能进行了改进,增强了隔膜安全性能。

关键词： 高活性片状铝粉   复合固体推进剂   热分解性能   爆热性能   燃烧速率  

摘要： 金属添加剂是复合固体推进剂的重要组分之一,铝粉因为密度低、热量高是目前复合固体推进剂中的主要金属添加剂。但是普通铝粉中活性铝含量较低,在提高推进剂性能方面效果不是十分明显。本文采用湿法机械球磨法制备高活性片状铝粉,将其应用于Al/AP/HTPB三组元复合固体推进剂中,主要通过TG-DSC-DTG、热分解动力学、机械感度、爆热和燃烧速率等研究高活性片状铝粉对推进剂体系的性能影响。本文的主要研究工作和取得的成果如下:首先,采用湿法机械球磨法可控的制备了高活性金属片状铝粉,通过实验得到制备高活性片状铝粉的工艺条件是:选取乙酸乙酯为溶剂,硬脂酸为助磨剂,质量占比为4%,球磨机转速为1100rpm,球料比为20:1,球磨时间4h。在此条件下得到的片状铝粉的活性铝含量为97.13%。通过SEM和XRD测试表明,球磨只改变了铝粉的形貌,并没有改变其晶型。采用激光粒度测试仪测试机械球磨前后铝粉的粒径变化,粒径d50由原来的13.9 μm下降到1.179 μm。其次,将机械球磨法制备的高活性片状铝粉应用到Al/AP/HTPB三元复合固体推进剂中,研究了 AP级配、Al粉级配对推进剂配方和固化时间的影响,结果表明随着体系中超细AP含量的增加,推进剂的表观分解热增加,而随着片状铝粉含量的增加推进剂体系的表观分解热同样增加,整个体系的粘度也上升。片状Al粉的添加对推进剂体系的固化时间没有太大影响,在相同的固化条件下,含有片状Al粉的推进剂体系的热分解趋势与含有球形Al粉的推进剂相比并没有改变,只是各阶段的分解峰温度有所增加。最后,研究片状铝粉和球形铝粉对Al/AP/HTPB复合固体推进剂热分解性能、机械感度、爆热性能和燃烧速率的影响。结果表明:将体系中的球形铝粉换成片状铝粉之后,推进剂的表观活化能由265.374 kJ · mol-1下降到142.086 kJ · mol-1,撞击感度的特性落高H50由44.66 cm下降到39.81 cm,撞击感度上升了 10.85%,摩擦感度由原来的32%上升到了 40%,上升了 8%。整个体系的平均爆热由7558.7 J · g-1上升到8436.1J · g-1提高了11.6%,燃烧速率也由原来的1.343 mm/s提高到1.61 mm/s提高了 19.8%。

关键词： 粉煤灰   铝盐混凝剂   改性处理  

摘要： 粉煤灰(Coal FlyAsh，CFA)是煤炭在燃烧的过程中产生的副产物。我国是以煤炭发电为主的国家，煤炭在消耗过程中，产生大量的粉煤灰，我国历年排放堆存在灰场的粉煤灰大约在25亿吨以上，已经成为最大的粉煤灰排放国。近年研究发现，我国北方部分煤层中赋存大量的水软铝石和高岭土等富铝矿物，燃烧后的灰质中氧化铝高达30%-50%，相当于中级品味铝土矿，是极其宝贵的铝矿资源。本研究中的粉煤灰来自内蒙古某发电厂，表观为分散均匀的灰色粉末。平均粒径为22.94μm，比表面积为1.7406m2/g。化学组分主要为Al2O3和SiO2，含量分别为40.4%和51.7%，质量比约占粉煤灰总质量的92.1%，主要物相组成为钙长石、碳酸盐矿物、钙铝黄长石、莫来石、钠磷锰铁矿、菱钾铝矿和石英等。　　本研究对原始粉煤灰分别进行直接酸溶和球磨活化后酸溶。同时参考文献的方法，采用碳酸钠和酸钙烧结活化粉煤灰，并溶解提铝，作对比研究。粉煤灰酸溶铝溶液，采用去离子水稀释调节酸度后，经铝酸钙粉调节铝含量和盐基度，以制备工业水用聚合氯化铝。至于粉煤灰的提铝残渣，采用3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)改性，通过改变表面基团的方法，制备重金属吸附材料，用以去除废水中的Cd2+。　　研究表明，在最优提铝条件下，即盐酸质量浓度为30%，盐酸mL/粉煤灰g=2.5，反应温度175℃，压力为0.4MPa，反应时间2h，直接酸溶，最高提取率可达65%，提取液铝含量为6.8%。经球磨活化处理的粉煤灰，在最优条件下酸溶提铝，氧化铝的最高提取率为72.5%，提取液中氧化铝含量为8.1%，球磨后酸溶提取率增高7%。从动力学角度分析，减小粉煤灰固体颗粒的粒径，可以增大粉煤灰颗粒与盐酸接触面积，从而提高提取率。　　粉煤灰酸溶铝溶液经去离子水调节溶液pH至合适范围，利用铝酸钙粉的高反应活性与酸溶得到的氯化铝溶液反应，增加氧化铝含量，调节盐基度，提高溶液的pH值，使铝发生水解和聚合，最终得到聚合氯化产品(PAC)。其中氧化铝含量为6.8%，盐基度为90.1，基本符合工业水用聚合氯化铝国家标准。　　粉煤灰提铝残渣，采用3-巯丙基三甲氧基硅烷改性(MTPS)。采用NaOH活化粉煤灰酸浸残渣，表面活化粉煤灰酸浸残渣与MPTS溶液(1.5mLMPTS+2mL甲苯)混合反应，得到改性吸附材料。改性材料用于吸附去除水中Cd2+(10mg/L)，发现，当吸附剂投加量达到600mg/L时，能够有效去除水中的Cd2+，去除率达到97%。采用假二级动力模型能更好模拟吸附剂对Cd2+的吸附过程。