1.1 Struktur Kristal Alumina
Alumina mempunyai struktur yang agak kompleks, di mana ia dibahagikan kepada dua kategori berdasarkan susunan O2-: struktur kubik (fcc) atau struktur padat rapat heksagon (hcp). Dalam dua kategori utama ini, pengelasan selanjutnya boleh dibuat berdasarkan Al3+, antaranya struktur (kubik), η (padu), θ (monoklinik), dan δ (ortorombik) adalah berdasarkan kekisi fcc, manakala (trigonal), κ (ortorombik), dan χ (struktur heksagon).
-Struktur hablur Al2O3 mempunyai O2- yang tersusun dalam struktur tertutup-heksagon, dengan bahagian selebihnya membentuk tapak interstisial oktahedral, dan Al3+ mengisi 2/3 tapak interstisial, dengan itu memastikan formula kimia alumina ialah -Al2O3. Prinsip pengisian Al3+ dalam tapak interstisial oktahedral memenuhi peraturan Pauling, iaitu, jarak antara Al3+ dalam lapisan yang sama dan antara lapisan hendaklah dijauhkan sejauh mungkin [1].
-Al2O3 dibahagikan lagi kepada kepingan-seperti -Al2O3 dan sfera -Al2O3. Serpihan-seperti -Al2O3 mempamerkan struktur satah dua-dimensi di angkasa, dengan ketebalan kecil dan diameter besar-kepada-nisbah ketebalan. Ia biasanya disediakan melalui tiga kaedah: kimia basah,{18}}tindak balas keadaan pepejal dan kaedah garam lebur. Struktur sfera -Al2O3 tersusun terutamanya dalam ruang tiga-dimensi, dan pertumbuhannya dalam dua-arah dimensi mesti ditindas semasa penyediaan, jadi kaedah seperti pemendakan homogen, kaedah hidroterma, kaedah bola titis, kaedah templat, kaedah penyemburan dan elektrolisis plasma digunakan terutamanya di sini. Sfera -Al2O3 agak sukar untuk disediakan.
-Struktur hablur Al2O3 dicirikan oleh pembungkusan rapat kubik O2-, dengan itu membentuk struktur oktahedral. Struktur ini terus berkembang menjadi struktur spinel, di mana 32 kubik atom O padat rapat membentuk sel unit. Dalam struktur spinel, 32 atom O membentuk 8 lompang tetrahedral dan 16 lompang oktahedral, di mana 67/3 atom aluminium diagihkan secara rawak dalam lompang, manakala 8/3 kekosongan wujud [2].
Ciri struktur hablur -Al2O3 terletak pada luas permukaan spesifiknya yang tinggi dan pusat aktif yang diedarkan secara meluas. Pada suhu pemangkin yang sesuai, bahan ini mempamerkan kestabilan yang baik. Oleh itu, -mangkin Al2O3 mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam industri dan penyelidikan saintifik kerana selektivitinya yang tinggi.
-Al2O3 ialah bentuk kristal alumina yang paling stabil, dan bentuk kristal lain tidak stabil dan dipanggil fasa peralihan. Fasa peralihan ini akhirnya akan berubah menjadi struktur -Al2O3 yang stabil dalam keadaan tertentu, jadi -Al2O3 juga merupakan fasa transformasi akhir alumina. Oleh itu, hanya -Al2O3 yang wujud dalam alam semula jadi, dalam bentuk mineral semula jadi seperti korundum semula jadi, delima dan nilam. Struktur ini juga dipanggil struktur kristal korundum [3-4].
1.2 Seramik Alumina
Seramik alumina ialah-bahan seramik berprestasi tinggi. Oleh kerana sifat fizikal dan kimianya yang sangat baik, ia digunakan secara meluas dalam persekitaran yang keras seperti suhu tinggi, kekuatan tinggi, rintangan haus yang tinggi, dan penebat yang tinggi. Sejarah perkembangan mereka dapat dikesan kembali pada akhir abad ke-19. Oleh kerana kekuatan dan kekakuan yang tinggi, seramik alumina adalah salah satu seramik oksida yang paling popular. Pada masa yang sama, kerana sifat mekanikal, elektrik dan optik amnya, seramik alumina digunakan dalam banyak bidang perindustrian moden.
Seramik alumina mempunyai kekerasan yang tinggi, dengan kekerasan Rockwell HRA80-90, yang kedua selepas berlian. Rintangan haus seramik alumina adalah bersamaan dengan 266 kali ganda keluli mangan dan 171.5 kali ganda besi tuang kromium tinggi. Di bawah keadaan kerja yang sama, ia boleh memanjangkan hayat perkhidmatan peralatan sekurang-kurangnya sepuluh kali. Ketumpatan bahan seramik alumina ialah 3.7~3.95 g/cm³, hanya separuh daripada keluli, yang juga boleh mengurangkan beban peralatan dengan banyak. Pada masa yang sama, ia juga mempunyai kelebihan seperti kekonduksian terma yang tinggi, kerintangan yang baik dan kestabilan terma, dan pemalar dielektrik yang kecil. Ia merupakan bahan pilihan untuk peranti dan sistem mikroelektronik generasi baharu dan telah menjadi bahan utama untuk substrat litar dalam bidang seperti aeroangkasa, komunikasi 5G, semikonduktor kuasa tinggi{13}} dan pencahayaan LED berkuasa tinggi [5].
Teknologi penyediaan serbuk alumina ultrahalus ketulenan tinggi-tinggi ialah salah satu faktor utama yang menyekat pembangunan pesat bahan seramik alumina khas dan juga merupakan pautan utama dalam mengurangkan kos dan meningkatkan kecekapan dalam pengeluaran perindustrian. Pembangunan kaedah baharu untuk menyediakan-serbuk seramik berkualiti tinggi adalah sangat penting kepada pembangunan bahan seramik dan bidang-berteknologi tinggi yang berkaitan.
2
Teknologi Penyediaan Serbuk Alumina
2.1 Klasifikasi Prekursor Alumina
Penyediaan alumina biasanya melibatkan penguraian terma hidrat alumina, yang dimendakkan daripada larutan yang mengandungi ion Al3+ atau sebatian organologam. Kajian telah menunjukkan bahawa proses penukaran ini (seperti dehidrasi boehmite kepada -Al2O3) ialah tindak balas topotaktik, membenarkan morfologi mikroskopik prekursor dikekalkan dalam alumina. Oleh itu, ciri-ciri alumina berkait rapat dengan prekursor hidrat.
Mengikut perbezaan dalam struktur dan kandungan air, prekursor alumina terutamanya termasuk gibbsite, bayerite, nordstrandite, dan diaspore, antaranya diaspore dibahagikan lagi kepada diaspore dan boehmite. Gibbsite adalah komponen utama bauksit di kawasan tropika. Sebagai produk akhir proses Bayer komersial, ia dihasilkan secara besar-besaran oleh pemendakan alkali Al3+ dan digunakan secara meluas sebagai kalis api, bahan tambahan untuk polimer dan kertas, pengisi ubat gigi dan penstabil untuk titanium dioksida. Struktur kristal gibbsite tergolong dalam sistem monoklinik, dengan aluminium-oksigen oktahedra disambungkan dengan tepi untuk membentuk struktur berlapis, dan susunan-lapisan berganda boleh dinyatakan sebagai AB BA AB BA.... Boehmite, juga dikenali sebagai pseudo-boehmite. Ia boleh disintesis secara hidroterma menggunakan gibbsite sebagai bahan mentah, atau diperoleh dengan pemanggangan bayerit terkawal. Boehmite tergolong dalam sistem ortorombik, dengan aluminium{10}}oksigen oktahedra disambungkan dengan tepi dan disusun secara berperingkat, dan lapisannya disambungkan oleh ikatan hidrogen. Dalam struktur oktahedral, atom oksigen disusun mengikut cara ABC ABC....
Antara pelbagai prekursor aluminium hidroksida, pseudo-boehmite ialah sejenis hidrat dengan kehabluran yang agak rendah. Ia dicirikan oleh luas permukaan spesifik yang tinggi, liang yang banyak, permukaan yang bercas positif, mudah serakan dalam air dan-pelarut yang mengandungi hidroksil, dan keterlarutan gel yang baik dalam keadaan berasid. Ciri-ciri ini menjadikan pseudo-boehmite digunakan secara meluas sebagai pembawa pemangkin dan pengikat, dan ia juga merupakan produk perantaraan yang penting untuk menghasilkan alumina teraktif [6].
2.2 Kaedah Penyediaan Serbuk Alumina
2.2.1 Kaedah Fasa Gas
Kaedah fasa gas secara langsung menggunakan gas atau menguap bahan tindak balas melalui kaedah pemanasan yang berbeza, menyebabkan tindak balas fizikokimia berlaku dalam keadaan gas, dan akhirnya terkondensasi untuk membentuk serbuk ultrafine. Kaedah jenis ini mempunyai keadaan tindak balas yang ringan, kawalan aglomerasi yang mudah, keterserakan zarah yang baik, saiz zarah yang kecil, dan pengedaran yang sempit; kelemahannya adalah hasil yang sangat rendah, dan kos pengeluaran sukar dikawal.
Dalam kaedah fasa gas, bahan mentah mesti diwap sepenuhnya sebelum tindak balas, yang menggunakan banyak tenaga, dan tindak balas memerlukan sejumlah besar gas lengai dengan kelembapan yang sangat rendah, menyebabkan kos yang agak tinggi untuk kaedah fasa gas.
Pemendapan wap kimia (CVD) ialah kaedah fasa gas yang biasa digunakan untuk menyediakan nano-alumina. Kaedah ini menggunakan aluminium klorida dan wap air untuk bertindak balas dalam ruang tindak balas untuk menghasilkan serbuk nano alumina. Kaedah CVD biasa termasuk CVD api, CVD pirolisis laser, dan lain-lain. Han Shizhong et al. [7] menyediakan serbuk alumina ketulenan tinggi-dengan saiz zarah purata 5.6 nm oleh CVD organologam plasma, bertindak balas dalam persekitaran oksigen pada 1000 darjah dan 5.3 kPa untuk mendapatkan serbuk alumina-sfera sfera.
2.2.2 Kaedah Fasa Cecair
Kaedah fasa cecair melibatkan pelarutan garam aluminium dalam pelarut tertentu, mengasingkan bahan terlarut dan pelarut melalui penyejatan, pemejalwapan, penambahan mendakan, hidrolisis, dan kaedah lain untuk mendapatkan zarah bentuk dan saiz tertentu, iaitu, menyediakan prekursor serbuk Al2O3, dan akhirnya memanaskan dan mengurai prekursor.
Pertama, unsur aluminium wujud dalam larutan dalam bentuk ionik dan boleh dilarutkan dalam pelarut air atau pelarut organik seperti trichloromethyl, etanol dan toluena melalui garam aluminium seperti aluminium sulfat, aluminium sec-butoxide dan sodium metaaluminate. Seterusnya, ion aluminium boleh dimendapkan dan dimendakkan dalam bentuk oksida kovalen melalui kaedah seperti hidrolisis dan penyejatan garam aluminium, atau dengan menggunakan bahan mendakan seperti ammonium karbonat, natrium hidroksida, urea, dan asid sulfurik. Akhir sekali, mendakan dicuci dan dikeringkan atau dikalsinasi pada suhu tinggi untuk mendapatkan bentuk kristal alumina yang dikehendaki [8-9].
Teknologi Pirolisis Sembur
Teknologi pirolisis semburan, juga dikenali sebagai teknologi pirolisis semburan api, ialah kaedah untuk menyediakan serbuk alumina ultrahalus berdasarkan titisan aerosol bersaiz mikron-ulsonik yang dipanaskan dan terurai pada 400 darjah ~800 darjah . Laine et al. [10] berjaya menulenkan serbuk alumina berbilang fasa menggunakan teknologi pirolisis semburan, memperoleh serbuk alumina-ketulenan tinggi-tinggi dengan saiz zarah 50 nm~80 nm dan -ketulenan fasa 50%~85%.
Kaedah Hidrolisis Alkoksida
Kaedah hidrolisis alkoksida melibatkan penyediaan larutan daripada garam aluminium larut -air yang sesuai mengikut perkadaran stoikiometri, kemudian memilih pemendakan yang boleh bertindak balas dengan ion logam untuk membentuk mendakan, dan akhirnya memanaskan dan menyahhidratkan mendakan untuk mendapatkan serbuk ultra halus [11]. Kaedah hidrolisis alkoksida biasa termasuk kaedah-pelepasan sulfur-aluminium sulfat bebas dan kaedah aluminium ammonium karbonat, dsb. [12-13].
Zhong Lianyun et al. [14] menggunakan aluminium nitrat tulen dan ammonium bikarbonat secara analitikal sebagai bahan mentah utama untuk menyediakan serbuk nano-Al2O3 melalui kaedah pemendakan bersama-. Saiz zarah purata serbuk nano-Al2O3 yang disediakan ialah 20 nm~30 nm. Menambah surfaktan PEG6000 telah meningkatkan prestasi penyebaran -serbuk Al2O3.
Proses Bayer yang Diperbaiki
Proses Bayer menggunakan perubahan dalam keterlarutan aluminium oksida dalam larutan beralkali, menggunakan larutan natrium hidroksida pekat untuk menukar aluminium hidroksida kepada natrium aluminat, kemudian mengasingkan bahan tidak larut melalui pemendakan, dan akhirnya-mendakan semula aluminium hidroksida melalui pencairan dan penambahan kristal biji aluminium hidroksida, diikuti dengan pemanggangan dan serbuk alumina.
Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, melalui penghalusan berterusan proses Bayer, kaedah baru yang mampu penyahsiliasi yang cekap telah dibangunkan [15]. Proses Bayer yang dipertingkatkan terutamanya meningkatkan penyediaan natrium hidroksida dan penyingkiran natrium, melakukan penyahsilisan dan penyingkiran besi pada natrium aluminat dan mengawal keadaan penguraian untuk mendapatkan-ketulenan tinggi aluminium hidroksida. Semasa proses ini, aluminium hidroksida memendakan secara perlahan, dengan berkesan mengurangkan kejadian nukleus kristal yang tidak normal dan juga mengurangkan penggabungan kekotoran natrium dan silikon. Akhir sekali, alumina-ketulenan tinggi diperoleh melalui-suhu pengkalsinan dan pengisaran.
Sol-Kaedah Gel
Kaedah sol-gel ialah kaedah mudah dan berkesan untuk mensintesis nano-alumina. Tidak seperti kaedah pemendakan, yang pada mulanya bertukar kepada sol dan gel, garam aluminium dan-ketulenan tinggi amina atau larutan garam ammonium menjalani hidrolisis atau pempolimeran untuk membentuk gel prekursor, yang kemudiannya dicuci-alkohol, diluluskan dan akhirnya dikalsinkan untuk mendapatkan serbuk alumina.
Sesetengah penyelidik juga telah membuat penambahbaikan teknikal berdasarkan kaedah sol-gel tradisional. Contohnya, Zhu Zuoyuan [16] menggunakan proses hibrid hidrolisis alkoksida logam dan kaedah sol-gel untuk menyediakan serbuk alumina ultrahalus-ketulenan tinggi. Pertama, serbuk aluminium dengan ketulenan Lebih daripada atau sama dengan 2N dipanaskan untuk mensintesis larutan aluminium alkoksida, kekotoran zarah tidak larut telah dikeluarkan melalui penapisan mikro, dan selepas penuaan, hidrolisis dijalankan. Gel kering diperoleh melalui penyulingan, dan akhirnya serbuk alumina ketulenan tinggi-diperolehi melalui-pengkalsinan suhu tinggi.
Kaedah Aluminium Alkoksida
Kaedah aluminium alkoksida tergolong dalam lelaran teknologi kaedah hidrolisis alkoksida. Ia melibatkan penambahan kepingan aluminium logam kepada larutan isopropanol untuk tindak balas menghasilkan isopropoksida aluminium, kemudian menghidrolisis aluminium isopropoksida untuk menghasilkan alumina terhidrat, dan selepas langkah-langkah seperti penuaan, penapisan, pengeringan, dan pengaktifan dehidrasi, akhirnya memperoleh serbuk alumina dengan aktiviti pensinteran yang agak tinggi.
Yang Conglin et al. [17] menggunakan aluminium logam dan karbon alkohol sebagai bahan mentah untuk mensintesis-alkoksida aluminium ketulenan tinggi, dan menyediakan alumina terhidrat melalui hidrolisis alkoksida, menghapuskan proses penyulingan vakum dengan keperluan peralatan yang tinggi, dan akhirnya memperoleh 5N-gred tinggi-ketulenan serbuk alumina ultrahalus dan zarah 9% dengan pengkalsinan, atau ketulenan 9% yang lebih hebat daripada serbuk, atau 9% dengan ketulenan serbuk. 0.1 µm~0.3 µm. Serbuk alumina yang disediakan dengan kaedah ini mempunyai ketulenan yang tinggi, dan proses penyediaannya mudah dengan kebolehkawalan produk yang kuat.
2.2.3 Kaedah Fasa Pepejal
Kaedah fasa pepejal ialah kaedah di mana dua atau lebih serbuk dicampur dan bertindak balas secara langsung di bawah suhu dan atmosfera tertentu untuk menghasilkan nano-alumina.
Kaedah Penghancuran Mekanikal
Kaedah penghancuran mekanikal menggunakan pelbagai penghancur ultrahalus (-kilang bebola tenaga tinggi, kilang bebola planet, kilang menara, kilang jet, dsb.) untuk secara langsung menghancurkan dan mengisar bahan mentah menjadi serbuk ultrahalus. Antaranya, kilang bebola tenaga-tinggi digunakan secara meluas. Mereka menghancurkan serbuk alumina secara mekanikal dalam air atau media alkohol untuk menyediakan-serbuk alumina ultrahalus ketulenan tinggi. Melalui getaran dan putaran kilang bebola, tenaga diberikan kepada bahan mentah, menyebabkan bahan mentah terjejas dengan kuat oleh bola keras, dihancurkan menjadi zarah halus, atau diaktifkan untuk menjalani tindak balas kimia, dengan itu menyediakan serbuk ultrafine.
Kaedah Letupan
Kaedah letupan juga boleh digunakan sebagai kaedah fasa-pejal untuk menyediakan serbuk alumina. Kaedah ini melakukan tindak balas pembakaran di dalam bekas-isipadu malar dan menghasilkan sejumlah besar gas. Oleh itu, tindak balas serta-merta selalunya berlaku di bawah tekanan tinggi, menekan tekanan wap tepu bahan tindak balas dan menaikkan suhu peralihan fasa di bawah tekanan normal, yang kondusif kepada pembentukan stabil serbuk alumina metastabil fasa tunggal-. Kaedah letupan mempunyai keperluan yang tinggi untuk peralatan pengeluaran, kawalan proses pengeluaran yang sukar, hasil yang rendah, dan kos pengeluaran yang agak tinggi.
Peng et al. [18] memperoleh hasil letupan yang berbeza dengan mengawal nilai pH sistem glisin-aluminium nitrat. Keputusan menunjukkan bahawa persekitaran beralkali boleh mengawal saiz butiran dengan berkesan, mengurangkan bahagian fasa amorf dan meningkatkan luas permukaan tertentu, manakala penggumpalan darjah yang berbeza-beza berlaku dalam persekitaran dengan pH Kurang daripada atau sama dengan 6.
3
Ringkasan
Serbuk alumina ultrahalus{0}}ketulenan tinggi, disebabkan sifat fizikal dan kimianya yang canggih, telah meluaskan senario penggunaan serbuk alumina dan merupakan bahan mentah utama dalam pembuatan termaju moden. Pada masa ini, kaedah pengeluaran utama serbuk alumina ultrahalus-ketulenan tinggi di China mempunyai kelemahan seperti proses yang kompleks, kawalan keadaan teknikal yang sukar, kos yang tinggi dan pencemaran yang serius. Dengan pembangunan berterusan ekonomi China, permintaan untuk-alumina ultrahalus ketulenan tinggi akan terus meningkat, dan keperluan masa hadapan untuk ketepatan peralatan, proses penyediaan, teknologi kawalan, penjimatan tenaga dan perlindungan alam sekitar juga akan menjadi lebih tinggi dan lebih tinggi.