低溫燒結法制備Al2O3多孔陶瓷及性能研究

樸佳思，唐鈺棟，白佳海

(1. 山東理工大學 材料科學與工程學院, 山東 淄博 255049；2.山東工業陶瓷研究設計院有限公司, 山東 淄博 255049)

多孔氧化鋁陶瓷因具有耐高溫[1-2]、比表面積大和力學性能好等優點[3-5]，被廣泛應用于高溫隔熱材料[6]、催化劑載體[7]和生物材料等領域[8-9]。研究者們探索了很多方法來制備多孔氧化鋁陶瓷[10-12]。如：王少陽等[12]用溶膠浸漬造孔劑法制備了性能優良的多孔氧化鋁陶瓷，何秀蘭等[13]采用凝膠-發泡法制備多孔氧化鋁陶瓷并研究其力學性能；但這些方法成本較高[14]，反應過程較復雜。相對的低溫燃燒合成法操作簡便、成本較低[15-17]，因此用于多孔氧化鋁陶瓷的大量制備。

低溫燃燒合成是利用原料間氧化還原反應放出大量熱量，進而合成粉體的濕化學方法[18]。這種方法引燃的溫度較低，反應合成速度較快[19-20]。目前，有學者用低溫燃燒合成法成功合成了氧化鋁粉體，但將粉體進一步制備成多孔氧化鋁陶瓷并研究其性能的報道較少。

本實驗將濾紙浸漬在Al3+濃度不同的溶液中，然后用低溫燃燒法合成粉體，并用合成的粉體作為原料制備多孔氧化鋁陶瓷。本文主要研究溶液中Al3+濃度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響規律以及不同燒結溫度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響規律。

1 實驗過程

1.1 試樣制備

采用尿素(分析純)和硝酸鋁(分析純)作為原料，按下面方法來研究前驅體溶液中Al3+濃度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響以及不同燒結溫度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響。

將CO(NH)2和Al(NO3)3· 9H2O作為原料配制成Al3+濃度分別為0.75、1.0、1.5、2.0 mol/L的溶液，依次記為A、B、C、D。然后將濾紙浸漬在配制的溶液中保持30 s，把浸漬好的濾紙放入50 ℃干燥箱中干燥12 h。干燥后的濾紙放入馬弗爐并升溫至300 ℃，引燃前驅體，得到黑色粉體。將5 g黑色粉體放到濃度為30%的250 mL H2O2中，密封后在110 ℃烘箱中放置8 h，以去除燃燒產物中的有機物，最后得到白色粉體。用干壓成型法將得到的白色粉體在16 MPa下壓制成試樣，在800 ℃下燒結制成多孔氧化鋁陶瓷。

選取用Al3+濃度為2 mol/L的溶液浸漬過的濾紙，經過干燥、氧化和壓制后制成試樣。分別在800、900、1000、1100、1200 ℃下燒結試樣(依次標記為1#、2#、3#、4#、5#)。

1.2 試樣表征

本實驗采用阿基米德原理進行吸水率和顯氣孔率的測定；采用煙臺華銀HVS-50型的顯微維氏硬度計儀器測定試樣表面的硬度；采用德國D8 Advanced X射線衍射儀進行物相分析；采用荷蘭飛利浦FEI Sirion 200型掃描電子顯微鏡觀察陶瓷斷面的顯微結構。

2 結果與討論

2.1 前驅體溶液中Al3+濃度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響

將濾紙浸漬在Al3+濃度不同的溶液中，采用低溫燃燒法合成粉體，在800 ℃下燒結制備多孔氧化鋁陶瓷。研究溶液中Al3+濃度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響規律。

2.1.1 經H2O2氧化后粉體物相組成分析

圖1是經H2O2處理后粉體的XRD譜圖。由圖可知，譜圖中存在Al(OH)3(三水鋁石)(JCPDS 33-0018 )和AlO(OH) (勃姆石)(JCPDS 21-1307)倆個衍射峰，從XRD譜圖中衍射峰的相對強度看出，AlO(OH)和Al(OH)3為粉體的主要晶相成分。

圖1 經H2O2氧化后粉體的XRD譜圖

2.1.2 經H2O2氧化后粉體的紅外分析

圖2為經H2O2氧化后粉體的FT-IR圖譜。由圖可見，在1 636 cm-1處的吸收峰對應H2O彎曲振動，在3 403 cm-1吸收峰對應吸附水中的O-H的伸縮振動，可知粉體中有物理吸附的水分子。在2 426 cm-1的吸收峰對應CO2的伸縮振動，可知少量CO2被吸附在粉體表面上。499 cm-1和638 cm-1的吸收峰對應Al-O的伸縮振動。1 070 cm-1的吸收峰對應Al-OH的彎曲振動，在1384 cm-1對應O-H的吸收峰。這說明經H2O2氧化后的粉體中有AlO(OH)和Al(OH)3，與3.1中物相組成分析的結論一致。

圖2 經H2O2氧化后粉體的FT-IR圖譜

2.1.3 多孔氧化鋁陶瓷的物相組成分析

圖3是試樣A、B、C和D的XRD圖譜。由圖可知，試樣A、B、C和D中都存在Al2O3(JCPDS 231009)的衍射峰，且衍射峰的位置沒有隨著溶液中Al3+濃度的變化而移動。經上述分析可知，Al2O3為試樣的主晶相。

圖3 試樣A、B、C和D的XRD譜圖

圖 4 試樣A、B、C和D的孔徑分布曲線

2.1.4 溶液中Al3+濃度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響

表1為試樣A、B、C和D的性能，由表可知，隨著溶液中Al3+濃度從0.75 mol/L增加到2.0 mol/L，試樣的維氏硬度先顯著下降后小幅度升高，然而顯氣孔率和吸水率先逐漸增加后略有降低。當Al3+濃度為1.5 mol/L的溶液時，試樣的顯氣孔率可高達56.42%。線燒成收縮率和燒失量隨著溶液中Al3+濃度增加而顯著減小。經上述分析可知，溶液中Al3+的濃度的對多孔氧化鋁陶瓷的性能影響顯著，隨溶液中Al3+濃度增加，試樣的顯氣孔率增大，維氏硬度減小。

2.1.5 多孔氧化鋁陶瓷的孔徑分布

由圖4可知，試樣A、B、C和D的氣孔孔徑基本分布在0.01～0.2 μm范圍內，且試樣A存在兩個分布峰，其中一個分布峰最可幾孔徑為19 nm，另一個分布峰最可幾孔徑為51 nm。試樣B最可幾孔徑為37 nm、試樣C最可幾孔徑為66 nm、試樣D的最可幾孔徑為35 nm。

2.1.6 多孔氧化鋁陶瓷的顯微結構

圖5依次為試樣A、B、C和D斷面的SEM圖。由圖5 (a1、b1，c1和d1)可知，斷面顯微結構的變化沒有明顯的規律，這可能是由于斷裂時的晶粒拔出、裂紋擴展等因素導致的；由圖5(a2、b2，c2和d2)可知：試樣A、B、C和D的晶粒尺寸基本分布在10～20 nm范圍之內，但隨著溶液中Al3+濃度的增加，納米氧化鋁晶粒的平均尺寸略有增大。此外，根據表1所示的結果，試樣的顯氣孔率也隨著溶液中Al3+濃度的增加而逐漸增大。因此，試樣中納米晶粒尺寸的增大及顯氣孔率的增加，是導致試樣的維氏硬度隨溶液中Al3+濃度的增加而降低的主要原因。

圖 5 試樣A(a1、a2)、B(b1、b2)、C(c1、c2)和D(d1、d2)斷面的SEM圖

2.2 不同燒結溫度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響

由表1可知，隨溶液中Al3+濃度的增大，多孔氧化鋁陶瓷的顯氣孔率總體呈增大趨勢。其中試樣C和試樣D的顯氣孔率沒有明顯的差異，但在同樣的實驗條件下，試樣D的粉體產出量較多，成本也較低。因此，實驗選用Al3+濃度為2 mol/L來研究燒結溫度對多孔陶瓷性能的影響規律。

表1 試樣A#、B#、C#和D#的性能

把Al3+濃度為2 mol/L的溶液浸漬于濾紙內，經干燥、氧化后分別在800、900、1 000、1 100、1 200 ℃下燒結試樣，研究不同燒結溫度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響規律。

2.2.1 不同燒結溫度下多孔氧化鋁陶瓷的物相組成分析

圖6是在800、1 000、1 100、1 200 ℃下燒結的多孔氧化鋁陶瓷的XRD圖譜，由圖可知，試樣1#存在?-Al2O3(JCPDS 231009)的衍射峰，試樣3#，4#和5#都存在α-Al2O3(JCPDS 461212)和?-Al2O3(JCPDS 231009)衍射峰。經上述分析可知，在800 ℃下燒結的試樣主晶相為?-Al2O3，而隨著溫度升高，試樣的主晶相為α-Al2O3和?-Al2O3。

圖6 燒結試樣1#、3#、4#和5#的XRD譜圖

2.2.2 不同燒結溫度對多孔氧化鋁陶瓷性能的影響

表2列出在800、900、1 000、1 100、1 200 ℃下燒結的多孔氧化鋁陶瓷的性能。由表可知，隨燒結溫度的升高，吸水率和顯氣孔率逐漸降低，維氏硬度大幅度的下降。當燒結溫度為800 ℃時，試樣的顯氣孔率為56.22%，并且維氏硬度較高；當因為燒結溫度為1 200 ℃時，粉體的粒徑長大，粉體的燒結活性下降，試樣的顯氣孔率和維氏硬度最低。試樣的燒失量和線燒成收縮率則隨著燒結溫度的增加而持續升高。經上述分析可知，隨燒結溫度的升高，試樣的吸水率、顯氣孔率和維氏硬度都呈下降趨勢。

表2 試樣1#、2#、3#、4#和5的性能

2.2.3 不同燒結溫度下多孔氧化鋁陶瓷顯微結構

圖7是在1 000、1 100、1 200 ℃下燒結的多孔氧化鋁陶瓷斷面的SEM圖。從圖可知，試樣3#(e1、e2)中氧化鋁晶粒尺寸小而均勻，晶粒間排列緊密。因此受到承載時，不易引起應力集中，維氏硬度較高；試樣4#(f1、f2)中部分氧化鋁晶粒長大，一些較大尺寸的顆粒發生團聚，容易引起應力集中，導致試樣維氏硬度的下降；試樣5#(g1、g2)的氣孔率和維氏硬度顯著降低，經上述分析可知，隨燒結溫度的升高，氧化鋁晶粒尺寸逐漸增加，缺陷增多，晶粒之間結合變弱，多孔氧化鋁陶瓷維氏硬度降低。

圖 7 試樣3#(e1、e2)、4#(f1、f2)和5#(g1、g2)斷面的SEM圖

3 結論

1)本實驗采用操作簡便、經濟實用的低溫燃燒法制備了活性較高的粉體，再將粉體壓制成型，燒結成多孔氧化鋁陶瓷并研究其性能。

2)當燒結溫度為800 ℃時，隨溶液中Al3+濃度的從0.75 mol/L增大到2.0 mol/L時，多孔氧化鋁陶瓷的吸水率和顯氣孔率總體呈增大趨勢，維氏硬度降低。當溶液中Al3+濃度為2 mol/L時，制備的多孔氧化鋁陶瓷顯氣孔率較高(約為56.2%)，且粉體產出量較多，成本較低。

3)多孔氧化鋁陶瓷的吸水率、顯氣孔率和維氏硬度隨燒結溫度的升高而減小。從提高氣孔率的角度看，本實驗選擇的最佳條件是：燒結溫度為800 ℃，且溶液中Al3+濃度為2 mol/L時，可制備出具有一定維氏硬度(約為542.3 MPa)， 且顯氣孔率高達56.2 %的多孔氧化鋁陶瓷。