α氧化铝晶型结构影响因素分析

王 毅， 李东红， 陈 玮， 杨双凤， 张岩岩

(中国铝业郑州有色金属研究院有限公司， 河南 郑州 450041)

α氧化铝晶型结构影响因素分析

王 毅， 李东红， 陈 玮， 杨双凤， 张岩岩

(中国铝业郑州有色金属研究院有限公司， 河南 郑州 450041)

氢氧化铝是制备α氧化铝的重要原料。氢氧化铝在高温下经过一系列物理化学变化，最终形成α氧化铝。本文对氢氧化铝原料和产品α氧化铝进行X-射线衍射和扫描电子显微镜分析，发现矿化剂和焙烧温度影响着α氧化铝晶体的微观形貌，焙烧后α氧化铝呈现蠕虫状结构；α氧化铝的含量与焙烧温度有着重要关系；矿化剂改变了α氧化铝的结晶机理。通过调整矿化剂，制备了类球状的α氧化铝，为研究和开发高性能产品奠定了基础。

氢氧化铝； α氧化铝； 晶体结构； 焙烧温度； 矿化剂

0 引言

氧化铝是地壳中含量特别大的矿物质，很多学者研究了氧化铝的晶型结构，认为氢氧化铝在高温焙烧转变成α氧化铝的过程中，过渡相只有γ，其余都是扭曲畸变的产物。目前普遍认为，氧化铝主要有α型和γ型两种变体[1]。α氧化铝晶型稳定、结构致密，具有优异的光学性能与高温性能，广泛用于结构材料和光学材料，如激光器、光学传感器等光学器件[2]和耐火砖、耐火浇注料等筑炉材料。α氧化铝电导率低，具有良好的绝缘性能和介电性能，常用于集成电路基板[3]和YGA激光晶体。α氧化铝还具有高硬度的特点，作为金属基复合材料的增强相，广泛应用于材料领域[4-7]。晶体结构对材料的性能有重要影响，目前对α氧化铝晶体结构的研究还不多。

α氧化铝一般用氢氧化铝作原料，通过高温焙烧而成。本文研究了氢氧化铝的物相，分析了矿化剂和焙烧温度对α氧化铝显微结构的影响。氢氧化铝焙烧以后由于脱水及相变的影响，α氧化铝呈现出蠕虫状结构。焙烧温度影响晶粒的生长速度与大小。通过调整矿化剂，制备了类球状的α氧化铝，压片后密度达到3.79 g/cm3，能够满足不同客户需求。

1 试验原料和方法

原料为氢氧化铝，中铝股份河南分公司生产，纯度为99.6%。

试验及检测设备：马弗炉,荷兰产X-pert-PRO型X射线衍射分析仪，日本电子公司生产的JSM-6360LV型扫描电子显微镜，电子天平。

将氢氧化铝试样进行X-射线衍射分析，确定其物相。将氢氧化铝原料进行焙烧，焙烧后的物料取样进行X-射线衍射分析，确定合理的焙烧温度，并进行扫描电子显微镜分析，确定其晶型结构。

2 试验结果与讨论

2.1 氢氧化铝原料的物相

本试验所用的氢氧化铝由拜尔法生产。将氢氧化铝做常温XRD分析，X-射线衍射图如图1所示。

图1 氢氧化铝X-射线衍射图

从图1可以看出，氢氧化铝主要由拜耳石(Bayrite)和三水铝石(Gibbsite)组成，衍射峰很强，结晶的状态比较好。

2.2 焙烧温度对α氧化铝晶体的影响

氢氧化铝的焙烧温度到达1 100～1 200 ℃时，主要发生α氧化铝晶体成核过程，伴随着中间过渡相生成；当温度达到1 200 ℃以上时，中间过渡相氧化铝转变为稳定相α氧化铝，晶体内部原子更加有序且紧密排列，处于热力学最稳定状态[8]。在这个阶段主要完成α氧化铝晶粒的生长过程，晶格不断变得完整，排列规则有序，因此其衍射峰非常强。

图2是α氧化铝晶体生长的扫描电子显微镜照片，从图中可以看出α氧化铝的晶粒像很多蠕虫相互缠绕在一起，这种情况下的焙烧温度只有1 450 ℃，远远地低于α氧化铝的熔点(2 050 ℃左右)，固相传质是氧化铝的生长以及发生物质能量转递的主要方式，多个细小的颗粒不断接触通过蒸汽压和能量结合达到相互接触与融合，呈现出蠕虫状显微结构[8]。

图2 α氧化铝晶体生长的扫描电子显微镜(SEM)照片

从图3的X-射线衍射图可以看出，当温度达到1 300 ℃以上，衍射峰特别强，结晶度良好,α氧化铝相转化率较高,含量达到86.4%。

图3 氢氧化铝原粉1 200～1 300 ℃焙烧后的X-射线衍射图

对不同温度下焙烧的氧化铝进行X-射线衍射分析，测定样品中α氧化铝含量，结果如表1所示。

表1 焙烧温度与α氧化铝含量关系

从表1可以看出，1 000 ℃下没有α氧化铝生成，1 100 ℃有少量α氧化铝，温度继续上升达到1 200 ℃以上后，α氧化铝含量增大，可见温度是影响α氧化铝生成的重要因素。

2.3 矿化剂对α氧化铝显微结构的影响

在焙烧过程中加入矿化剂，矿化剂作用下的α氧化铝的扫描电子显微镜照片如图4所示，采用矿化剂可以获得类球状的α氧化铝。

图4 矿化剂作用下的α氧化铝扫描电子显微镜(SEM)照片

在1 300 ℃下，矿化剂与氧化铝反应生成中间化合物，这类化合物相当于增加体系的蒸汽压，起到提高蒸汽压的作用，此时气相传质将起主导作用，对焙烧产物的显微结构与体系能量会产生重要影响，克服成核势垒，加速原晶蠕虫状聚合形式的分离，并使之球状化，促进原晶生长。α氧化铝结构致密，压片后密度达到3.79 g/cm3。该温度下矿化剂的添加量与α氧化铝含量的关系如表2所示。

表2 矿化剂添加量与α氧化铝含量关系

3 结语

氢氧化铝是制备α氧化铝的重要原料。氢氧化铝在高温下经过一系列物理化学变化，最终形成α氧化铝。通过对氢氧化铝原料进行物相分析和对α氧化铝进行X-射线衍射和扫描电子显微镜分析，发现矿化剂和焙烧温度影响α氧化铝的晶型结构，焙烧后α氧化铝颗粒呈现蠕虫状结构；温度主要影响晶粒的生长速度；通过调整矿化剂，制备了类球状的α氧化铝，其真密度达到3.79 g/cm3，为开发高附加值的新产品奠定了基础，能够满足不同客户的需求。

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Influencingfactorsofalphaalumina’scrystalstructure

WANG Yi, LI Dong-hong, CHEN Wei, YANG Shuang-feng, ZHANG Yan-yan

Aluminum hydroxide is an important raw material for the preparation of alpha alumina. After a series of physical and chemical changes and phase changes, aluminum hydroxide forms alpha alumina at high temperature. Morphology characterization SEM and XRD research of aluminum hydroxide raw material and alpha alumina are carried out. It is found that mineralizer and roasting temperature can affect the morphology of alpha alumina. After the roasting, alpha alumina shows worm-like structure. The contents of alpha alumina is closed related with the roasting temperature. Mineralizer changes the crystallization mechanism of alpha alumina. By adjusting the mineralizer, near-spherical alpha alumina is prepared, which lays solid foundation for developing various high-performance products.

aluminum hydroxide; alpha alumina; crystal structure; roasting temperature; mineralizer

TQ133.1

B

1672-6103(2017)06-0072-03

王 毅(1984—)， 男， 河南洛阳人， 硕士研究生， 工程师， 主要从事氧化铝粉体制备、 凝聚态物理研究工作。

2017-03-28