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从“片状氧化铝”上看材料效用与结构的关系
2021年03月10日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

从资源上看,铝在地球上储量丰富,价格便宜,易于获得,其氧化物“氧化铝”具有硬度高、熔点高、抗氧化、耐高温、耐腐蚀、导热性高、电阻率高等优异性能,可用作高硬度研磨材料、陶瓷材料和耐火材料等,是金属氧化物中最重要的品种之一。


不过随着高新技术的发展,对材料的性能要求也越来越高,使传统的产品受到新的严峻的挑战。因此为了提高产品的附加价值,目前氧化铝的制备不仅要求充分发挥其本征性质,还需要通过控制尺寸和形貌对其性质进行裁剪和调整,以期获得原始材料所没有的性能,从而制备出功能更加完善、应用范围更加广泛的氧化铝材料,比如说“片状氧化铝”就是这样的一个成果中国化工网okmart.com

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片状氧化铝SEM图


一、片状氧化铝的性质

根据材料结构一性质一效用的关系,材料的化学结构决定了其理论性能,显微结构决定了它的实际性能,材料的一切性质均是其内在结构的外在表现。片状氧化铝的结构特征在于其颗粒形状为六角形片状,并具有较小的厚度与较大的径厚比,各个颗粒具有至少10:1的径厚比,因此是一种具有二维平面结构的粉体。


片状氧化铝具有优良的本征性质和特殊的结构特征,因此,它具有许多优良的性能∶


①与其它片状粉体相比,片状氧化铝具有优良的综合性能,如熔点高、硬度大、机械强度高、耐磨性好、耐化学侵蚀、抗氧化和耐热性好等。


②片状氧化铝具有较小的厚度与较大的径厚比,在厚度方向可以达到纳米级,而在径向为微米级,因此,它兼有纳米和微米粉末的双重功效;表面活性适中,既能与其它活性基团有效结合,又不易团聚而便于有效分散。


③片状氧化铝具有良好的附着力,显著的屏蔽效应与反射光线的能力。


④片状氧化铝粉体近乎透明、无色,且具有平坦光滑的表面,结晶完好的晶体呈正六角形。


 二、片状氧化铝的形成机理

氧化铝片晶形貌是晶体内部结构的外在反映。α-Al2O3属于菱方晶系。如果按六方定位,将其三次轴作为c轴,定向以后,正取向的点阵点占据(0,0,0)、(2/3,1/3,1/3)和(1/3,2/3,2/3),负取向的点阵点占据(0,0,0)、(1/3,2/3,1/3)和(2/3,1/3,2/3),无论哪种取向,其(0001)晶面都为六角形状。


α-Al2O3的晶体结构如下图左所示。O2-离子按六方紧密堆积排列,即ABAB......二层重复型,而Al3+离子填充了2/3的八面体空隙。由于只填充了2/3的空隙,因此Al3+离子的分布必须有一定的规律,其原则是在同一层和层与层之间,Al3+离子之间的距离应保持最远,这是符合于鲍林规则的。因此具有六方晶体结构的α-Al2O3具有晶粒各向异性生长的习性,在一定的工艺条件下可以制备出片状形貌。


晶粒生长是否存在各向异性,还与物质的生长系统有密切的关系。从晶体生长过程来看(上图右),晶体的生长特性是由晶粒不同晶面的生长速率决定的,生长速率较快的面逐渐变小或消失,而生长速率较慢的面最后则被保留下来,因此,可通过控制不同晶面生长速率来控制晶体的最终形貌。


在一般情况下,(0001)、(1010)各晶面生长速率基本一致,因此最终形成近似球形颗粒在有促进剂存在的情况下,它不仅促进了α-Al2O3晶体的生长,还改变了其生长习性,使(0001)晶面的表面能降低,这样新生成同样面积的(0001)面比(1010)面所需的驱动力要小,因此导致(0001)晶面的扩展速率明显较快,即<1010>方向的晶体生长较快,因此氧化铝颗粒倾向于形成规则的六角形片层状颗粒,且在晶体生长的过程中片层厚度不会增加。


在有熔盐存在的情况下,当在高温煅烧过程中时,一方面由于物质在熔盐中的迁移速率远远高于常规的固相反应,所以可以降低合成α-Al2O3的反应温度和缩短反应时间;另一方面由于熔化的盐对各个晶面的润湿程度不同,使得各个晶面的表面能存在差异,导致晶面生长速率不同,最终导致片状的形成。

 

三、片状氧化铝的应用


总而言之,粉体的形态和大小确实会对其许多性质产生重要影响。例如片状粉体具有良好的附着力与反射光线的能力,可用于颜料、化妆品、汽车面漆、填料及磨料等诸多领域。下面分别予以简要介绍:


1.增加聚合物导热率的填充剂


片状Al2O3已被成功地用作聚合物的填料,以增强其热导率。Al2O3的热导率比有机聚合物高很多,在聚合物中添加少量的片状Al2O3,就可以形成Al2O3网络。该网络能够把大部分热量传出,因此用这种聚合物与Al2O3的复合材料制备的电子元件的寿命可以大大提高。片状Al2O3的直径越大,所形成网络的节点越少,导热效果就越好。


2.提高陶瓷断裂韧性的增强剂


将片状氧化铝作为第二相增韧剂加入到陶瓷中,可以起到增加裂纹偏转和桥联作用,对提高陶瓷的断裂韧性有明显的效果。其原理与在高聚物中有所区别,此时增强行为的产生是由于裂纹尖端应力和热膨胀各向异性张应力相互作用时,在裂纹尖端区域产生微裂纹所致。它可以使裂纹沿基体和片状晶粒间的界面偏转,消耗了促使裂纹扩展的能量,通过桥连作用产生增韧效果。


3.比云母更好用的珠光颜料底材


目前使用最多的珠光颜料常用天然云母薄片造出。但天然云母薄片常含有有色杂质离子,分离较为困难,且其过厚的边缘会使珠光颜料易发生散射现象,对其视觉效果造成不良的影响。


人工合成的片状氧化铝粉体,具有天然云母无法获得的设计自由度和物理化学性能。在合成过程中,可以消除或控制杂质的引入,同时使产品具有狭窄的粒度和厚度分布,大的径厚比,几乎完全无色和光滑平整的表面,而且这种氧化铝在水中具有良好的分散性。因此,它是优质珠光颜料理想的底材,而片状氧化铝基珠光颜料被称为“现代精细化工的艺术品”。


4.让人容光焕发的化妆品添加剂


片状粉体可以用在化妆品上使皮肤看起来光彩照人,清质润滑,并且可以使彩妆易于涂抹,增加其粘附性,从而防止了由于出汗和皮脂分泌造成的彩妆脱落。片状氧化铝具有良好的化学性能、光学性能和二维平面结构,而且无毒无味,是化妆品的优良添加剂。它不但具有较高的光泽度,明亮的色彩,而且具有较好的铺展性和粘附性,易于粘附于皮肤表面,同时还具有良好的手感,使人有舒服的感觉。


5.高精密微电子材料的抛光粉


用于抛光粉片状氧化铝可制成性能优良的抛光粉,这种抛光粉可用于高精密微电子材料的抛光,也可用于陶瓷的抛光和光学显微镜等诸如此类的玻璃表面的抛光。片状氧化铝具有良好的分散稳定性和平行排列性,当用于抛光粉时,可以让片状氧化铝的上下表面基本平行于被抛光材料的表面,因此可以最大可能地避免表面下的损伤(SSD),使抛光后的表面依然平滑如镜。


资料来源:

新型片状氧化铝材料的合成及在珠光颜料中的应用,于闽。

熔盐法合成片状氧化铝粉体的研究,苏周。

微细片状氧化铝粉体的制备及应用,王二星。


标签:催化剂及助剂化工应用化工原料技术中心今日头条精细化学品染料及颜料
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