Al_2O_3晶须的原位合成与形成机理研究

以Ti粉、Al粉和Nb2O5为反应剂,均混、成型、覆埋后,于1220℃/30min烧结后原位合成了Al2O3晶须,采用XRD、SEM结合EDS表征了产物组成与Al2O3晶须形貌,并探讨了晶须的形成过程.结果表明,Nb2O5含量较低时,形成的晶须长而直,直径约分布在30～90nm之间.Al2O3晶须主要以VLS机制生长,但又区别于VLS机制,液态Al在Al2O3晶须的生长过程中发挥了至关重要的作用,既具有催化作用,同时又是Al2O3晶须生长必须的源物质.增大Nb2O5含量后,晶须表面粗糙,呈串珠状分布.说明过高的Nb2O5含量,不利于Al2O3晶须的生长.     

杂质对石膏晶须制备的影响

探讨了Mg2+、Al3+和Fe3+杂质对硫酸与氯化钙反应生成的硫酸钙晶须的影响。研究表明,当温度由80 ℃升温到102 ℃时,产品由二水硫酸钙晶须转变为半水硫酸钙晶须;搅拌速度、反应物浓度、反应时间对晶须的形成影响不显著。Mg2+、Al3+和Fe3+对硫酸钙晶须的生长均有抑制作用,相同浓度下,抑制能力为Fe3+>Al3+>Mg2+;低浓度的Fe3+或高浓度的Al3+能使得晶须的形貌发生明显的变化;在全离子的作用下,晶须形貌由针状变为雪花状,并在其表面有絮状附着物。     

Ti-Al系掺杂Nb_2O_5原位合成Al_2O_3晶须

以Ti粉、Al粉为基本组分,通过添加Nb2O5,于1220℃/30min烧结后在Ti-Al基内原位合成Al2O3晶须,借助XRD、SEM以及EDS研究产物组成和Al2O3晶须形貌,并讨论晶须的生长机制。结果表明,无Nb2O5时,除铝剩余外,还形成TiAl3和Al2O3相,Al2O3短晶须分布在孔洞区域。加入10wt%Nb2O5后,产物由TiAl3、Al2O3和NbAl3相组成,Al的衍射峰基本消失,基体内形成大量的Al2O3晶须,直径约为30～90nm。根据晶须顶端的圆珠小球,Al2O3晶须主要以VLS机制生长。     

利用电厂粉煤灰合成的β-Sialon的结构和形貌分析

以粉煤灰和石墨为原料,采用碳热还原氮化法在一定的工艺条件下合成出不同结构形式的β-Sialon材料.以XRD,SEM,EDS等手段,研究了碳含量,合成温度,保温时间等工艺参数对合成产物中β-Sialon中z值的影响,并分析了β-Sialon的形成过程.研究结果表明,当试样中碳过量50％,在1420℃下保温4h以上,β-Sialon相均以Si4Al2O2N6(z=2)和Si3Al3O3N5(z=3)共同存在,保温时间的延长导致了Si4Al2O2N6的相对含量增加,Si3Al3O3N5有所减少;当试样中碳过量10％,并在1420℃保温6h时,合成样品中 β-Sialon相的主要存在形式为Si5AlON7(z=1);当碳过量50％,在1400℃和1450℃下保温6h时,以上三种z值的β-Sialon相可共同形成.β-Sialon的微观形貌以杆状晶须为主,其在反应初期主要为串珠状晶须,随着氮化反应的进行,β-Sialon杆状晶须逐渐形成,其主要相组成为Si4Al2O2N6和Si3 Al3O3N5.     

原位生成O'-SiAlON晶须增强铝碳耐火材料

以板状刚玉、石墨为主要原料,基质部分分别添加3%、5%和7%的O’-SiAlON前驱体混合粉(即β-Si3N4微粉、SiO2微粉和α-Al2O3微粉的混合球磨粉),以酚醛树脂为结合剂制成试样,于200℃烘烤后,在空气中埋(SiO2 C)混合粉,分别于1000℃、1300℃、1500℃保温3h原位合成了含O’-SiAlON晶须的铝碳耐火材料。对烧后试样的物理性能、物相及显微结构进行了分析,并对烧结有重要影响的反应进行了热力学分析。结果表明:埋(SiO2 C)混合粉能有效抑制反应体系中SiO2在高温烧结过程中的分解,从而促进O’-SiAlON晶须的原位生成。1500℃时,含有O’-SiAlON前驱体混合粉的试样原位生成了针状和絮状的O’-SiAlON晶须,这些晶须交织于试样的骨料与基质之间,能显著增强试样的强度;且随着O’-SiAlON前驱体含量的增加,试样的强度逐渐增加。     

Ti-Al金属间化合物中原位生成Al2O3晶须机理分析

以金属钛粉、铝粉和五氧化二铌粉末压制成预制体,通过石墨与氧化铝混合粉对预制体的覆埋实现气氛保护并进行热处理,使其发生化学反应原位合成氧化铝晶须增韧钛铝金属间化合物复合材料.通过XRD、EDS和SEM测试,分析了材料最终晶相组成及内部显微结构特点.XRD分析显示,主晶相为Ti-Al金属间化合物,次晶相为α-Al2O3;且根据原料中钛、铝粉配比不同,主晶相为钛铝比不同的金属间化合物.SEM结合EDS测试表明,钛铝质量比为3:7时,材料中包含α-Al2O3晶须、颗粒两种增强相;钛铝比较低(5:5)时,增强相为α-Al2O3颗粒.颗粒增强相主要为Al与Nb2O5反应生成;α-Al2O3晶须由铝液与氧气反应而成,按VLS机制生长.     

不同碳源对Al2O3-Si-C材料基质中原位合成SiC晶体形貌的影响

为了研究微米或纳米结构的碳材料对Al2O3-Si-C材料基质中生成SiC晶体结构和形貌的影响,采用板状刚玉细粉和单质Si粉为原料,分别以碳纳米管、纳米炭黑和超细鳞片石墨为碳源,制备了添加三种不同碳源的Al2O3-Si-C基质试样,在埋炭气氛下于1 000、1 200和1 400℃分别保温3 h热处理,用XRD分析处理后试样的相组成,通过FESEM观察试样基质中的SiC晶体形貌。结果表明:1)较高的热处理温度可以促进SiC的反应生成,SiC的生成量随热处理温度的升高而增加。2)不同碳源在试样中原位形成SiC的形貌和反应机制各不相同:碳纳米管通过模板反应被逐渐转化为SiC晶须;Si与纳米炭黑之间快速反应形核,成核后的SiC晶体向各个方向均匀生长并形成SiC颗粒;超细石墨片晶从边缘向内部逐渐反应生成SiC晶须。     

工艺调控对原位合成Ti3AlC2陶瓷的影响

以TiC、Ti和Al粉为原材料,采用冷压预成型-热压辅助工艺原位制备Ti3 AlC2陶瓷.借助反应吉布斯自由能分析TiC-Ti-Al体系的合成机制,采用XRD和SEM分析工艺因素如升温速率、Al含量、烧结温度和压坯尺寸对原位合成Ti3 AlC2陶瓷的影响.结果表明,通过调控工艺,成功合成了高纯度Ti3 AlC2陶瓷,Ti3 AlC2具有典型的层状结构.该反应体系的最佳升温速率为:1000℃之前,20℃/min; 1000℃之后,10℃/min.用纳米TiC粉替代微米TiC粉,烧结温度由1450℃降至1350℃,且Ti3 AlC2的合成纯度更高.当采用大尺寸压坯时,发生了“热爆”现象,非平衡相较多,Ti3 AlC2的生成含量较低,且样品开裂严重.Ti3 AlC2的合成过程为:Ti与Al反应生成TiAl金属间化合物,接着TiAl与TiC反应生成Ti3AlC2.     

溶胶-凝胶法合成小尺寸板状氧化铝

以氟化物为矿化剂，通过热处理使γ-A12O3在气相传质下转变为小尺寸的板状α—Al2O3。利用XRD和SEM等手段，测定了板状氧化铝的特性，研究了制备工艺、HF含量、反应温度等因素对其特性的影响。结果表明：含AlF32％(质量分数)的混合料，在l100℃下保温180min可以得到直径为2μm的板状α—Al2O3。在此基础上，详细阐述了板状氧化铝的形成机理。     

CF4在Al2O3上的分解反应——最佳反应温度探索

以程序升温及恒温反应方式研究了CF4在Al2O3上的分解反应,测试了CF4的转化率,用XRD、比表面积测试、SEM-EDS等技术对反应前后的Al2O3进行了结构表征。结果表明：程序升温反应至700℃时CF4转化率达到最高;850℃恒温反应时γ-Al2O3的结构稳定性和反应活性较高,900℃反应时部分γ-Al2O3转变成了低活性的α-Al2O3导致比表面积和CF4转化率急剧下降。850℃是γ-Al2O3与CF4反应的最佳温度。     

纳米CaCO_3对刚玉基浇注料强度及显微结构的影响

以电熔白刚玉颗粒及细粉、α-Al2O3微粉、水合氧化铝、纳米CaCO3或铝酸钙水泥为原料,研究了纳米CaCO3加入量对刚玉基浇注料矿相、强度和显微结构的影响,并与相同CaO含量的含铝酸钙水泥的浇注料进行了对比.结果表明:处理温度高于900℃时,含纳米CaCO3和含铝酸钙水泥的2种混合物的矿相相同,但新矿相的生成机理、形态及其分布状态不同;随处理温度的升高,水泥水化物脱水并且在其内部发生反应,生成铝酸钙系矿物,直到其自身Al2O3含量不足时(温度>1400℃后)才开始和周围的Al2O3反应,生成的CA6呈簇团状分布在浇注料中.纳米CaCO3在刚玉基浇注料中的变化过程为:800℃烧后纳米CaCO3分解成CaO,并与Al2O3反应生成无定形铝酸钙,产生原位结合;随温度升高,铝酸钙逐渐和更多的Al2O3反应,直到1600 ℃后完全生成板状CA6,并均匀分布在浇注料中.与铝酸钙水泥相比,由于纳米CaCO3粒度小,分散均匀度高且和Al2O3的反应机理不同,因而含纳米CaCO3的刚玉基浇注料具有较高的冷态和热态抗折强度,在800～1100℃之间更为显著.     

3Y—TZP／Al2O3复合粉末的相变研究

采用化学共沉淀法制备了3Y－TZP／Al2O3纳米级复合粉末,研究了Al2O3含量和煅烧温度对粉末的相结构和ZrO2晶格常数的影响。研究表明：800℃,1h煅烧的复合粉末只出现t-ZrO2相,不出现Ａl2O3的任何晶相,当Al2O3质量分数不大于10％时,ZrO2晶格常数随Al2O3含量增加而减小,但当Al2O3质量分数为20％时,ZrO2晶格常数反而略有增大;当温度升至1200℃时,开始形成α-Al2O3,Al2O3对ZrO2晶格常数的影响减小;当温度达到1450℃时,完成了向α－Al2O3的转变,故Al2O3不再对ZrO2晶格常数产生影响。     

硫酸钾熔盐中合成莫来石晶须的形态和生长机理

以SiO2和Al2(SO4)3.18H2O为原料,在K2SO4熔盐介质中,分别于800℃、900℃、1000℃、1100℃和1200℃下保温3h,经溶解、分离、烘干后得到莫来石粉体,利用XRD和SEM对合成粉体的相组成和形貌进行了表征。研究结果表明:合成的莫来石粉体由纳米尺度的束状莫来石晶须组成;在900℃时开始形成莫来石,但仍有石英相存在;在1000℃时石英相完全消失,合成了高纯的莫来石粉体;当温度超过1100℃时,合成的莫来石开始分解。由此得出合理的合成反应温度为1000℃左右。同时,还根据液-固体系中晶体生长的基本理论,对束状莫来石晶须的形成机理进行了探讨。     

工艺因素对还原气氛下铝热法制备Al203-TiB2复相陶瓷的影响

以铝粉、B2O3粉和TiO2粉为原料,研究了埋炭还原气氛下B2O3加入量、温度和气氛3种工艺因素对铝热还原法制备Al2O3-TiB2复相陶瓷的影响.结果表明(1)在还原气氛下用铝热还原法可以制备Al2O3-TiB2复相陶瓷.(2)原料中B2O3过量,则有9Al2O3@2B2O3相生成.(3)烧成温度在900℃时铝热反应基本未开始;1000℃时有大量TiB2和α-Al2O3相生成,α-Al2O3呈长方柱状,晶粒较大,TiB2分布在α-Al2O3颗粒之间,晶粒细小;1000℃以上时,反应产物的相组成变化不大,但1500℃后,TiB2晶粒较大,尺寸为0.5～3μm.     

FeTiO3-Al-C系统的反应热力学及Al2O3-TiC/Fe 复合材料的制备

充分利用天然矿物钛铁矿（FeTiO3）中的铁和钛,采用反应烧结技术,成功制备了Al2O3-TiC/Fe陶瓷复合材料.在真空热压炉中实现了合成与烧结一体化,为陶瓷复合材料的低成本制备进行了有益的探索研究.对钛铁矿-Al-C系统的热力学过程进行了详细的理论分析.研究表明：系统主要发生铝热还原反应,中间产物为多种钛的氧化物,系统反应后热力学上最为稳定的物质为Al2O3,TiC和Fe;系统反应最高温度低于Al2O3的熔化温度.通过实验研究,分析了产物的物相、结构和性能.反应烧结的最终产物主要为TiC,Al2O3和Fe.此外,还有少量Fe-Al相,大部分为Al2O3.TiC晶体颗粒尺寸约为3～5 μm,分布较为均匀,Fe分布于Al2O3,TiC晶粒之间.Y2O3和Cr2O3添加剂可以提高复合材料的抗弯强度.     

Al2O歧化法制备微细Al2O3/Al复合粉体

真空条件下,以Al2O3和Al为原料,通过Al2O歧化法制备微细Al2O3/Al复合粉体.XRD和SEM分析表明:在反应温度为1200～1400℃时,随着温度的升高,粉体中氧化铝含量升高;冷凝温度约为550～750℃时,复合粉体中的氧化铝包括稳定晶型和不稳定晶型;冷凝温度约为1100～1300℃时,复合粉体中的氧化铝全部为稳定晶型;冷凝温度约为550～650℃时,复合粉体的平均粒径小于0.5μm;冷凝温度约为750℃时,铝熔化、微粒团聚;冷凝温度约为1100～1200℃时,铝形成铝珠,氧化铝为不规则状、平均粒径小于2μm;冷凝温度约为1300℃时,氧化铝为片状.因此,通过选取合适的反应温度、冷凝温度,可以控制Al2O3/Al复合粉体中氧化铝的含量、晶型和粒径.     

Al(OH)_3和α-SiO_2对聚磷酸铵热分解过程的影响

采用热质量损失分析和X射线衍射分析考察了Al(OH)3和α-SiO2对聚磷酸铵(APP)热分解过程的影响,探讨了APP高温热分解行为及其与添加相之间的相互作用。结果表明,APP和Al(OH)3混合物中,APP的分解产物多聚磷酸和Al(OH)3的分解产物反应生成AlNH4HP3O10,加速了APP热分解,两者初始相互反应温度提前至263℃,600~900℃生成稳定的Al(PO3)3;APP和α-SiO2混合物初始热分解温度与APP的第1阶段分解温度一致,450℃时,APP热分解产物与α-SiO2反应已生成SiP2O7。Al(OH)3和α-SiO2共同添加与它们分别添加对APP热分解的影响有较大区别:APP、Al(OH)3和α-SiO2混合物的初始相互反应温度进一步降低至261℃,Al(OH)3的热分解产物优先与APP热分解产物发生反应,生成AlNH4HP3O10。α-SiO2促进了AlNH4HP3O10发生分解生成Al2P6O18,抑制了Al2P6O18转化为Al(PO3)3,600~900℃时,残留物有α-SiO2、Al(PO3)3以及Al2P6O18。     

Al3(SO4)2(OH)5H2O与α-Al2O3晶须的制备及其生长机制

采用液相沉淀及烧结方法制备了Al3(SO4)2(OH)5H2O与α-Al2O3晶须,样品采用XRD、SEM及G-DTA等对样品物相、形貌及热行为进行了表征,结果表明晶须样品的分散性好,粒度分布均匀、表面光滑,Al3(SO4)2(OH)5H2O与α-Al2O3晶须品质优良.又从“生长基元”角度出发,讨论了Al3(SO4)2(OH)5H2O晶须的形成机制,其生长过程是生长基元是八面体[Al-(OH)6]3-与HSO4-往某一晶面稳定叠合生长的结果,Al3(SO4)2(OH)5H2O晶须经热分解后,其形貌不变,最终变为α-Al2O3晶须.     

煅烧工艺对α—Al2O3晶粒的影响

研究了煅烧温度,保温时间及矿化剂对α－Al2O3晶粒度的影响。试验表明,煅烧温度、硼类和氟类矿化剂都能使α－Al2O3晶粒度长大煅烧时间在较低温度（1400℃）下有利于α－Al2O3晶粒度生长,在1500℃以上对晶粒度基本没有影响。     

粉煤灰预脱硅液动态水热合成硅酸钙晶须的影响因素

以分析纯试剂模拟粉煤灰预脱硅液,采用动态水热法合成硅酸钙晶须,研究了反应体系碱浓度、反应温度、反应时间、溶液中铝硅(Al2O3与SiO2)和钙硅(CaO与SiO2)质量比对产物物相组成及其形貌的影响. 结果表明,控制碱浓度80 g/L以下,反应温度220℃,反应时间6 h,铝硅质量比0.06以下,钙硅质量比0.9,可制备出纯度83%以上的硅酸钙晶须,晶须长度可达20 mm.