微波热解法制备α-氧化铝粉末(共24页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上 内 容 摘 要-Al2O3具有良好的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性等特点，可作为集成电路的基板、高硬材料、耐磨材料、耐火材料等。微波热解工艺是近年来发展起来的一种新型材料制备工艺方法。本课题采用一种新型热解技术微波热解法制备-Al2O3粉末。采用氢氧化铝和十二水合硫酸铝铵为原材料，经过微波热解制成-氧化铝粉末， 借助于TG/DTA和X射线衍射等手段研究了在Al(OH)3和AlNH4(SO4)212H2O样品的不同热解过程中亚稳态Al2O3的相变过程，同时采用SEM分析粉末的断口形貌等显微组织，利用XRD分析粉末的物相组成，分析材料的纯度、粒度等性能。结果表明，微波热解温度

2、和保温时间对Al2O3颗粒的大小、形貌和晶相有重要的影响。与常规热解相比，微波热解的样品纯度和粒度要好；适当降低热解温度，能有效地控制Al2O3颗粒的粒径；同时热解后以较短的时间保温，更有利于生成的氧化铝向稳定的晶相转变。关 键 词微波热解；-氧化铝；粉末；密度；粒度目 录 293O专心-专注-专业微波热解法制备-氧化铝粉末班级学号：O8O6O9215 作者：尚田田 指导教师：张锐 职称：教授 引言 -Al2O3是六方紧密堆积晶体，晶格能较大(16743kJ·mol-1)、熔点高达(205O)、硬度大(达莫氏硬度9)、结构紧密(密度达4.019g·cm-3)、机械强度高、制

3、品对酸、碱有较好的抵抗力等优点。基于-Al2O3优良的物理、化学性能，-Al2O3在陶瓷、抛光、耐火材料、化工等领域有着广泛的用途。工业上大量使用的氧化铝粉末是利用拜尔法，将开采的铝矾土矿通过化学处理的方法得到的。从传统的观点看，氧化铝分为高温型-Al2O3及低温型-Al2O3，在与之间存在多种中间体。目前陶瓷工业用-Al2O3，这是一种熔点最高又最稳定的氧化铝晶相。微波烧结是一种利用微波对材料进行体积型加热从而完成烧结的方法，只要保温措施得当，便可以实现对材料的均匀加热，从而得到均匀的微观结构。微波电场对物质的扩散有促进作用，因此可以降低烧结时间和温度，抑制晶粒的过分生长，得到更好的微观质量

4、。微波烧结还具有能源利用率和加热效率高、安全卫生无污染等常规烧结技术无法比拟的优点，预示了其广阔的发展前景。1 概述1.1 氧化铝的研究背景氧化铝有许多同质异晶体，估计在十二种以上。其中常见的有、等， 具体的分类方法为：首先根据氧离子排列结构分成面心立方体(FCC)和六方最紧密堆积(HCP)两大类， 然后再在氧离子排列结构的每一大类中依据铝离子的亚点阵的不同分成不同的相， 具体见表1-1。上述相中，除去相外，其它各相均称为低温下的过渡型相，处于热力学上的不稳定状态， 随着温度的升高，这些过渡型的氧化铝相都要向高温热力学稳定型相相转变，是一种晶格重构不可逆转变。通常-氧化铝的制备均是由氧化铝的前

5、驱体经过高温锻烧而制得的，但是对于不同的前驱体由于所含的成分、杂质以及轻基含量的不同， 就会在升温的过程种出现不同的过渡型相。1.1.1 几种常见的氧化铝晶型及应用-Al2O3属六方晶系，其单位晶胞是一个尖的菱面体，氧离子近似于六方密堆排列，Al3+占据 2/3 的八面体空隙。-Al2O3是自然界中唯一存在的Al2O3变体，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。-Al2O3是所有 Al2O3变体中结构最紧密、力学性能最佳、电学性能最好的晶相，在所有温度下都是稳定的，其他同质异晶体在温度达到 10001600时都不可逆地转变为 -Al2O3。-Al2O3(刚玉)是所有Al2O3晶型中使用最多的一种，

6、 由于它熔点高(可达2050)， 耐热性强、耐腐蚀性和耐磨性均很优良， 因而广泛的应用在结构与功能陶瓷中， 用在集成电路的基板、高硬材料、耐磨材料、耐火材料等领域。-Al2O3不是氧化铝的独立变体，它不是一种纯的氧化铝，是一种 Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。可以近似地用 RO·6Al2O3和 R2O·11Al2O3来表示其化学组成（RO 指碱土金属氧化物，R2O 指碱金属氧化物）。-Al2O3属尖晶石型（立方）结构，氧原子形成立方密堆积，铝原子填充在间隙中。它的密度较小，且高温下不稳定，机电性能差。由于是松散结构，因此可利用它来制造特殊的多孔材料。氧化铝有（刚玉型）、等

7、11种变体，其中主要是、两种晶型，而且只有一种热力学稳定相，即氧化铝。而氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。它们的结构各不相同。1.1.2 氧化铝的性质及应用背景Al2O3的基本性能（1）机械性能，烧结 Al2O3陶瓷是多晶瓷材料，其强度主要受组成和结构的影响。在未加入专门的添加剂时，显气孔率为零的烧结 Al2O3陶瓷体密度可达理论密度的 9496%。添加了适当的助烧剂细化 Al2O3晶体后，其机械强度也增强。Al2O3成分越纯，强度越高。强度在高温下可维持到 900。（2）热性质，Al2O3陶瓷在 201000温度范围内的线膨胀系数为8.5

8、×10-6-1。由于Al2O3在高温下不存在晶型转变，所以它的热膨胀不随温度升高而变化。显气孔率为零的烧结 Al2O3陶瓷，在 20时的热导率为 28W/（M·K），随着温度的升高，其导热能力下降，温度上升到 1000时，烧结 Al2O3的热导率为 5.8 W/（M·K），约为 20时数值的20%。（3）电性能，常温下Al2O3的体积电阻率约为 10141016·cm。体积电阻率的数值与材料纯度有关，也与瓷体结构中的玻璃相的组成及性质有关。当温度高达 1000时，Al2O3瓷体电阻率下降到 106107·cm；温度为 1500时，体积电阻率为

9、104105·cm。某些杂质可以使Al2O3陶瓷的体积电阻率下降一到三个数量级。（4）化学稳定性，Al2O3陶瓷的化学稳定性相当高。酸和碱都不与Al2O3发生化学反应。在常温下，就是 HF 酸也不能对Al2O3陶瓷起作用。Al2O3陶瓷对酸碱所表现出超高的稳定性。1.2 -氧化铝的选题背景氧化铝是美国目前使用量最大的无机阻燃剂，年增长率1O%以上，它既作填料，又有阻燃作用，广泛应用于塑料工业；氧化铝凝胶可用于纤维工业、陶瓷工业、电器材料、电子材料，催化剂、化妆品等方面 高纯氧化铝(99.99%)需求增长主要在传输陶瓷领域，并开始用于生物陶瓷如人造骨骼、牙工艺及用于半导体基板等。目前，

10、世界上95%以上的氧化铝是用拜耳法生产的，国外基本是以优质易溶的三水铝石型铝土矿为原料， 采用流程简单、能耗低的拜耳法生产氧化铝， 而我国还是以难溶的一水硬铝石型铝土矿为原料， 采用流程复杂能耗高的“拜耳-烧结”联合法生产氧化铝。总体来说，我国氧化铝工业已有不少先进技术，但是未普遍推广应用，仍处于落后状态。因此，氧化铝的发展前景十分广阔。-氧化铝以其强度高、硬度大、耐高温、耐磨损等一系列优异特性，在各种新型陶瓷材料的生产中得到广泛的应用。它不但是制做集成电路基片、人造宝石、切削刀具、人造骨骼等高级氧化铝陶瓷的粉体原料，而且可用作荧光粉载体、高级耐火材料、特殊研磨材料等。随着现代科学技术的发展，

11、-氧化铝的应用领域正在迅速拓宽，市场需求量也在日益增大，-氧化铝在如下领域中均有应用： -氧化铝在功能陶瓷中的应用功能陶瓷是那些利用其电、磁、声、光、热等性质或其耦合效应，以实现某种使用功能的先进陶瓷，其具有绝缘性、介电性、压电性、热电性、半导体、离子传导性以及超导性等多种电气性能，因此有多方面的功能和极广泛的用途。目前已大规模实用化的主要是集成电路基板和封装用绝缘陶瓷、汽车火花塞绝缘陶瓷、在电视机和录像机中广泛使用的电容 器介电陶瓷、有多种用途的压电陶瓷和各种传感器 用敏感陶瓷，此外还用于高压钠灯发光管等。（1）用作发动机中火花塞绝缘陶瓷材料，因氧化铝具有优良的电绝缘、高机 械强度、耐高压和

12、耐热冲击等特性，因此，目前世界上广泛使用氧化铝绝缘火花塞。火花塞用一氧化铝的要求为普通低钠-氧化铝微粉，其中氧化钠含量0.05，平均粒径325目。 （2）用作基板材料和封装材料在以下几个方面优于塑料：高绝缘电阻、高抗化学腐蚀、高密封性、能 阻止湿气透过、无反应活性、不会污染超纯半导体硅。集成电路基板和封装材料所要求 一氧化铝的 性能为：热膨胀系数7 .0×10-6，导热率2030WK·M(室温)，介电常数912(1MHz)，介质损耗 310-4(1MHz)，体积电阻率>10121014·cm(室温)。 随着集成电路高性能化、高集成度化，对基板和封装材料提出了

13、更严格的要求：随芯片的发热量增大，要求更高的导热率；随运算元件的高速化，要求低介电常数；要求热膨胀系数接近硅。这就对-氧化铝的要求更高，即向高纯、精细的方向发展。 （3）由高纯超细氧化铝为原料制成的精细陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性好、强度高等特性，是一种优良的光学陶瓷材料。由高纯氧化铝加人少量氧化镁、氧化镧或氧化铱等添加剂，采用气氛烧结和热压烧结等方法制成的透明多晶体，能耐高温钠蒸气的腐蚀，可用作高压钠发光灯管，其照明效果。-氧化铝在结构陶瓷中的应用 结构陶瓷具有硬度高、强度大、耐高温、化学稳定性优异、绝缘性佳和介电性能优等一系列特点，广泛应用在黄金矿产、矿渣和煤炭等粉体或悬浮液输送管线的内

14、衬；旋风分离器、燃气轮机、泵体的叶片，柱塞、套管和各种阀门；制药、陶瓷业高速搅拌机研磨体、挤出模具和陶瓷剪刀；电缆、电线和纺织行业的导轮；化工厂裂解炉用喷嘴或食品、陶瓷业中喷雾干燥器用喷嘴；林业中切削木材的切割刀具及机械行业中各种切削刀具、高精度密封元件、量具、刀具等。1.3 微波烧结技术介绍微波是频率非常高的电磁波，又称超高频电磁波。微波的频率范围目前并无统一的规定，通常把300MHz到300GHz的电磁波划为微波波段。用于工业、科研和医学应用的微波频率应当选择915MHz， 2.45GHz，28 GHz等，以免干扰雷达或其它通讯设备，所以陶瓷微波处理的微波频率也往往选择这些频段。微波加热是

15、一种体加热， 即材料吸收的微波能转化为材料内部分子的动能和势能， 材料整体同时均匀加热。整个加热过程中， 材料内部温度梯度很小或没有， 因而材料内部热应力可以减小到最小程度， 这样即使在很高升温速率( 500600/ min) 情况下也很少造成材料的开裂。 同时在微波电磁能作用下， 材料内部分子或离子动能增加， 使得烧结活化能降低， 扩散系数提高， 这对于促进材料的低温快速烧结是非常有利的。 如在1100微波烧结Al2O3陶瓷1h材料密度可达96%以上， 而常规烧结仅为60%。材料的自身吸热， 提高了加热效率， 易获得2000以上高温， 缩短了烧结时间。 快速烧结不仅可以节约能源， 而且可以改

16、善烧结体的显微结构，提高材料性能. 陶瓷材料的韧性是一个重要指标，提高陶瓷材料韧性的有效途径之一是降低晶粒尺寸， 即形成细晶粒或超细晶粒结构， 由于微波烧结速度快、时间短、温度低， 这无疑是形成细晶或超细晶陶瓷的有效手段。微波烧结的另一特点是能实现空间选择性烧结。 对于多相混合材料， 由于不同材料的介电损耗不同， 产生的耗散功率不同， 热效应也不同， 可以利用这点来进行复合材料的选择性烧结， 研究新的材料产品和获得更佳材料性能。1.3.1微波烧结原理应用微波加热方法来进行陶瓷烧结是一种理想的选择。微波烧结原理与常规烧结有着本质区别。常规烧结是工频电流流过负载电阻，电阻把电能转换成热能，通过对流

17、、辐射、传导等方式将热量传递到被烧结的材料，然后材料通过自身的热传导由表及里升温，从而达到烧结目的。微波烧结则是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料在电磁场中的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。影响微波加热的主要因素为电场强度和材料介电性能。在烧结过程中，电场参量并不直接受温度影响，而材料的介电性能却随温度而有较大变化，从而影响整个烧结过程。1.3.2微波烧结优点与常规烧结相比较，微波烧结具有许多优点，首先，处于微波场中的烧结试样内部的热梯度和热流方向与常规烧结时完全不同，在微波场中，烧结试样可内外均匀地整体吸收微波能来达到烧结的目的，材料整体吸收

18、微波能使得烧结试样内部不存在温度梯度，得到均匀加热而不会在试样内部形成热应力或引起试样开裂；再者，某些材料在温度高于临界温度后，其损耗因子迅速增大，导致升温极快，这样就降低了烧结温度，加快了烧结速率，更重要的是缩短烧结时间有利于材料内部形成晶面喷涂或在材料内部添加高损耗组分，以及在试样周围设置保温层和充埋粉等，使得材料迅速达到临界温度，自身开始吸收微波能量，最终达到快速烧成的目的。微波加热不同于由外部热源通过辐射由表及里的传导加热，而是材料在电磁场中由于介电损耗而引起的体积性加热。正是由于这种由内至外和整体性的加热方式，使微波加热材料中的温度梯度及热量传递方向与常规加热相反，如图1-1：图1-

19、1微波加热与常规加热的模式比较由此，得出微波烧结的特点：1.经济、方便地获得2000以上的高温这对大部分烧结温度在1800以上的特种陶瓷极为适用，并且在整个微波烧结装置中，只有试样本身处于高温中，其余部分仍处于常温状态，因此整个装置的结构紧凑、简单、制造和使用费用低及工作环境好。在烧结时，炉壁温度比室温仅高出2030，只有在试样在2200 的高温下长期工作时，才需要进行必要的冷却。但是2200并不是微波烧结技术的上限，主要受隔热材料耐高温特性的限制。2.具有很快的加热和烧结速度与热量通过介质由表及里向内部传播的常规加热方式不同，微波加热是电磁能以波的方式渗透到介质内部引起介质损耗而发热，因此具

20、有快的加热和烧结速度，一般可达每分钟升温5000以上，这取决于试样及其本身的承受能力，且内部同时发热而使式样内部温度梯度小，发热均匀，充分显示其高效率节能的最大优点，这特别对于制备超细晶粒结构的高密度、高强度、高韧性陶瓷方面非常有利。3.能改进陶瓷材料的微观结构和宏观性能由于微波烧结具有烧结速度快，时间短的特点，从而避免了烧结过程中材料的晶粒长大，最后可以获得具有高强度和高韧性的超细晶粒结构。例如，用常规法烧结成密度为99%的氧化铝陶瓷晶粒度为10m，而用微波烧结仅为0.8m。根据陶瓷材料细晶高强度的理论，从而可望大大改善其宏观性能。4.高效节能与电炉、燃气炉及燃油炉等常规烧结方法相比，微波烧

21、结所用时间降低到数分之一，降低能耗70%90%。美国通用汽车公司(General Motor)在6KW工业微波炉上对氧化铝火花塞的批量烧结试验表明，节能效益可达50%以上。5.其它优点对于多种混合材料，由于损耗因子不同，可完成选择性烧结以实现微波能的聚焦或试样的局部加热，从而满足某些陶瓷特殊工艺的需要，如陶瓷密封和焊接等。而且微波烧结材料其烧结活化能降低，扩散系数提高，烧结温度可以低于常规烧结且性能更优。能够实现一些常规方法难以做到的新型陶瓷烧结工艺，有可能部分取代目前沿用的极为复杂和昂贵的热压法和热等静压法，为高技术新陶瓷的大规模工业化生产开辟新途径。1.3.3微波与材料的相互作用机制材料在

22、微波场中主要分为微波透明性材料、微波全反射型材料和微波吸收型材料三种类型。微波透明型材料的损耗较低，一般为绝缘材料；微波全反射型材料主要为导电性能良好的金属材料。可用作微波加热设备中的波导、微波烧结腔等。例如波导管的材质都是金属导管或内敷金属的管子；微波吸收型材料主要是一些介于金属和绝缘体之间的电介质材料，氧化铝陶瓷就属此类材料。只有微波吸收型材料置于微波场中才能有效的吸收微波，最终获得良好的烧结结果。材料与微波的耦合能力一般用损耗正切值(损耗因子与介电常数之比)来表示，损耗正切值越大代表材料与微波的耦合能力就越强。微波吸收型材料在室温下损耗正切值很小，几乎不吸收微波能量，只有达到某一临界温度

23、后，才开始吸收微波能量，在达到临界温度之后，材料吸收微波的损耗正切值变的很大。Janny等1测定了高纯Al2O3烧结过程中的活化能Ea，发现微波烧结中Ea仅为170kJ/mol ，而在常规电阻加热烧结中Ea=575kJ/mol，远远高于微波烧结的活化能，这就缩短了微波烧结的时间，降低了烧结温度，为高质量Al2O3的快速烧结提供了良好条件。为了解决一些低损耗材料在室温下难以吸收微波能量的难题，可以采用混合加热的方法来促进烧结，混合加热的方法可分为主动型混合加热和被动型混合加热两种类型。主动型加热方式是对将其他热源和微波源结合在一起的混合加热系统对材料进行加热；被动型混合加热则是通过改变材料自身的

24、介电性能来增强其吸收微波的能力。其它问题“热失控”和“热斑”是陶瓷微波烧结过程中常出现的现象。“热失控”是常规加热技术中不可能出现的现象，其特征是在微波加热过程中，由于材料介质损耗突增导致温度突增数十至数百度，结果多是导致材料开裂。比较有效的消除这一现象的方法还是混合式加热，把介质损耗突增的温度区置于间接加热区内。避免“热斑”的产生可以采用埋粉式保温结构。也可以控制微波能量，使微波能量脉冲化，改变微波发生系统或使用器的设计也可以避免“热失控”和“热斑”现象的出现。1.4 微波烧结 Al2O3的研究现状Al2O3的烧结，就是其坯体在高温下的致密化过程，随着烧结温度的上升和烧结时间的延长，颗粒之间

25、不断发生变形与收缩，固体颗粒相互键联，逐渐长大形成晶界，晶粒的长大和晶界的移动同时进行，气孔会随着晶界一起运动，逐渐消失。通过物质的传递，坯体总体积收缩，密度增大，直至致密化，最终得到致密的陶瓷材料。在热力学上，所谓烧结是指系统总能力减少的过程。Al2O3及其复合材料以其优越的性能发展成为陶瓷材料的研究热点。周健等对Al2O3陶瓷的微波烧结过程进行分析，发现随着温度的升高，样品的微波吸收值变大，至1050左右不再有变化。在烧结 8min后试样迅速致密化，15min 左右即达到理论密度的98%左右。之后继续延长烧结时间，密度基本上不再变化。董亚丽等在Al2O3陶瓷中添加不同的添加剂，研究其微观形

26、貌及在不同温度下的密度和维氏硬度。结果表明，添加剂的作用受烧结温度的影响较大，进而影响了烧结试样的维氏硬度。周曦亚等1分析比较了常规加热和微波加热条件下的 -Al2O3-Al2O3的相变过程，微波加热对相变的发生有促进作用，掺杂ZrO2对该相变起阻碍作用。Cheng等2在制备氧化铝的过程中，采用高纯氧化铝粉末做原料，置于2.45GHz、1.5kW 的TE103单模腔中，在没有添加 MgO 的样品中，升温速率为 500-600min，在 1508条件下烧结 5min，可以看到晶粒明显长大，晶粒之间存在裂纹。在添加了适量 MgO 作为助烧剂的样品中，升温速率为 100min，在 1750条件下烧结

27、 15min 就能得到致密而透明的 Al2O3，晶粒之间看不到裂纹。在其它实验条件不变的情况下，适当的延长烧结时间，可以获得透明度更高Al2O3陶瓷。在微波烧结中易获得晶粒结构均匀、晶粒之间孔隙裂纹较少的多晶材料，这些都是影响材料透光性的关键性因素，降低了由气孔和晶界所造成的对光线的散射，使得多晶陶瓷的透光性得到提高，因此微波烧结为透明陶瓷的烧结提高了良好的基础。1995 年，Scott等3通过微波烧结成功的将多晶氧化铝转变为单晶氧化铝。实验过程是将透明的含有微量 MgO 的氧化铝置于高纯氢气中，在 1880下烧结39小时，MgO 在此过程中会逐渐蒸发掉。1.5 本文的提出、研究内容制备-Al

28、2O3粉末是Al2O3陶瓷工业应用的发展趋势，-Al2O3陶瓷优异的力学性能使其满足越来越苛刻的使用环境，但-Al2O3陶瓷的制备具有一定的难度，本论文采用微波加热方法，利用微波加热技术的优点制备出微观形貌良好和性能优异的高纯度-Al2O3粉末。通过添加一定剂量的助烧剂来提高-Al2O3粉末的的力学性能，改善其显微结构，促进烧结。本论文还研究了微波烧结-Al2O3的影响因素。使用机械混合法在不添加第二相的条件下就陶瓷的增韧机制，材料的微观结构以及力学性能进行系统的分析研究。本实验的主要研究内容包括：本实验研究主要内容：-Al2O3粉体的制备工艺：采用氢氧化铝，硫酸铝铵为原料，利用微波烧结制备-

29、Al2O3材料样品。材料表征：采用XRD、SEM等手段对材料的显微结构、物相组成等进行表征，研究不同工艺过程对微波烧结烧结样品的密度、硬度等性能的影响，以及与常规烧结制品进行对比分析。2 实验准备部分本实验采用新型圆柱形微波烧结装置进行了-氧化铝粉末的烧结及其性能研究，本部分将对实验的选料、烧结设备的原理、试样制备的工艺流程以及样品测试方法等方面进行详细的介绍。2.1 实验原材料起始原料为氢氧化铝和十二水合硫酸铝铵，其中氢氧化铝纯度为99.9，其中含有Na2O 0.10，SiO2 0.013，MgO 0.006，Fe2O 0.01。氢氧化铝的显微结构将氢氧化铝原料做SEM分析，结果氢氧化铝扫描

30、电子显微镜照片如图1所示。从图1-A可以看出，氢氧化铝的颗粒较大，其中的很多颗粒大于5Om，图1-B是图1-A中单颗粒局部放大后的照片，可以看出，氢氧化铝颗粒是由大量微小的粒子团聚而成，颗粒间的边界不清晰。A(2OO倍） B(1OOOO倍)图1-1氢氧化铝SEM照片2.2 实验仪器 表2-1 主要实验仪器 仪器名称 型号 备注电子精密天平 JA2OO3N 上平公司行星式球磨机 QM-3spO4 南京大学仪器厂微波烧结设备 实验室X 射线衍射仪 XD-5 日本岛津公司扫描电子显微镜 JSM-551OLV 日本岛津公司对于混合加热(Hybrid Heating)的方法，常用的有以下两种方式:一种方

31、式是设计一种常规加热和微波加热于一体的加热系统，在低温阶段用常规加热(使用硅钥棒或硅碳棒加热)的方法将陶瓷件加热到临界温度以上后，停止加热，再启用微波加热来完成最终烧结(见图2-1)。另一种方式是在低温段主要靠周围易吸收微波的元件(如SiC棒)吸收微波发热后通过热辐射和热对流对陶瓷件进行加热，当陶瓷件被加热到临界温度以上后其自身开始吸收微波来完成最终致密烧结(见2-2)。 图2-1常规&微波混合式加热系统图2-2 微波混合式加热系统保温结构的设计保温层在微波烧结过程中起着减小热损失，预热低介损耗材料和防止加热腔中发生微波打火现象等多重作用。在保温层设计中主要两个方面:一个是保温层结构的

32、设计，另一个是保温材料的选择。对于保温层的结构形式主要有埋粉式和篮框式，为防止保温材料与被烧结材料发生粘连，还应进行隔离层设计，通常是在保温层与烧结体之间夹入一层烧结体材料的介质。由于在高温下陶瓷体表面通过热传导和辐射方式导致的热量散失比较严重，因此设计中要尽量减少陶瓷体与保温层、预热层之间的间隔，加大保温层的厚度，这样有利于改善加热的均匀性。图2-3是在烧结Al2O3时，所采用的一种埋粉式保温层设计。在微波烧结Al2O3时，由于Al2O3导热性差和其在上升到临界温度点后产生热失控现象等因素的影响，容易产生局部热斑。采用这种保温层设计避免了烧结过程中Al2O3试样局部热斑的产生，在2.45 G

33、Hz下烧结出了在28GHz下烧结后一样的产品。 图2-3 埋粉式保温结构2.3 样品的测试与表征采用测试手段对纳米粉体产品的晶形、粒径、表面性质等性能的测试和表征，包括 X-射线衍射法、扫描电子显微镜法、差热分析法、热重分析法、密度测试、粒度测试等。对各种测试方法的简要介绍如下(1)X-射线衍射法(XRD)该法通过 X-射线研究固态物质晶体结构和物质中各种元素的结合状态， 及化学键性质， 通过标准物质卡片进行物相鉴定， 可确定分子式和同素异构体， 还可定量分析、测定各元素的定量比、晶格常数等。(2)扫描电子显微镜(SEM)扫描电镜是观察粒子形貌和定性粒子大小的一种有效而直观的工具。可以直观地看

34、到纳米粉体的粒径大小和团聚现象， 其最大优点是可直接观察较大的样品，而且分辨率高，景深大，立体感强，在很宽的放大倍数范围内可以连续观察，清晰的显示组织形貌。(3)试样的粒度测试本实验采用离心沉降法测定陶瓷试样的实际粒径D(m)。沉降法是基于颗粒在悬浮体系时，颗粒本身重力(或所受离心力)、所受浮力和黏滞阻力三者平衡，并且黏滞力服从斯托克斯定律来实施测定的，此时颗粒在悬浮体系中以恒定速度沉降，则沉降速度与粒度大小的平方成正比，适用于10nm20m的颗粒。 3 实验过程3.1微波热解过程分别把1000， 1100， 1200， 1300， 作为烧结温度进行微波烧结，保温时间为515分钟。为了便于比较

35、，试样同时采用普通电热炉进行烧结。烧结后材料的密度采用Archimedes法测量;显微结构观察使用日本JEOL公司JSM-5600LV型扫描电镜;材料的组成分析使用的是日本岛津制作所的 SID-6000型X射线衍射分析仪:烧结工艺的制定:1. 常规烧结:温度区间升温时间(h) 室温1OO 2h 1OO 38O 2.5h38O 4OO O.5h 4OO 6OO 3h 6OO 98O 3h 98O 1OOO O.5h 1OOO 11OO 1h 11OO 12OO 1h 12OO 13OO 1h 2. 微波烧结: 温度区间微波功率(w)室温6OO5OOW6OO115O7OOW115O13OO9OOW

36、3.2反应过程分析3.3.1 TG-DTA分析图3-1 前驱体硫酸铝铵的TG/DTA图通过对硫酸铝铵晶体的差热分析和失重热分析（见图-），可以看出，在144时，结晶水剧烈脱出；570左右进行铵分解溢出；930时脱硫，前期三段失重反应均为吸热反应；后期在1220，发生- Al2O3向-Al2O3相转变，为放热反应。最终实验温度为1100时，晶相由松散型- Al2O3转变成具有明显结构的Al2O3，衍射峰也比较尖锐；实验温度为1200时，完全生成-Al2O3粉末。图3-2 前躯体氢氧化铝的TG-DTA图从图2-4中的DTA曲线可以看出，Al(OH)3在100和250400存在两个吸热峰， 前者是吸

37、附的水份的蒸发，后者是铝的氢氧化物和AlOOH结构中水分子的脱出。同时在515.66、833.83和1143.71处存在3个放热峰，515.66附近的是Al(OH)3转化为 AlOOH引起的，833.83左右的则是-Al2O3-Al2O3的转变所导致的， 而1143.71的放热峰是-Al2O3向-Al2O3转变引起的。由TG曲线可以看出， 在温度升高到800以后， 前躯体的质量不再发生大的变化， 也就是说，800时已经生成了Al2O3颗粒， 继续升温锻烧发生的只是Al2O3不同相之间的转变。要生成-Al2O3 ， 合适的锻烧温度为 1150。这与我们从DTA图中得到的结论也是一致的。3.3.2

38、 XRD分析图3-3，3-4分别为硫酸铝铵和氢氧化铝作前躯体在不同温度下热解后得到产物的XRD图谱。由图3-3可知， 此时产物已经出现-Al2O3相和-Al2O3 相的衍射峰，并且-Al2O3相的衍射峰占绝对优势；由图3-4可知，与JCPDS标准卡10-0173的衍射峰完全一致，即出现的都是-Al2O3相的衍射峰。这说明了以氢氧化铝作为原料，得到的是纯相的- Al2O3， 这也与我们上文TG-DTA的分析结果是一致的。 图3-3 硫酸铝铵前躯体在不同温度下锻烧后的XRD图图3-4 氢氧化铝前躯体在不同温度下锻烧后的XRD图由前文所知， -Al2O3-Al2O3的相变是在1150左右的高温下进行

39、的 ，高温往往会使得原本超细的过渡晶型Al2O3粉末严重粗化， 导致晶粒粗大并且易形成硬团聚，从而影响了粉末的烧结活性。因此在制备高活性且分散均匀的-Al2O3粉体的过程中，降低相变温度是至关重要的因素之一。4实验结果与分析4.1 -氧化铝的聚合生长图4-1为微波热解后-氧化铝的扫描电子显微镜照片。从图4-A可以看出，仅氧化铝与图2中氢氧化铝的颗粒形貌相似，图4-B是图4-A中单颗粒局部放大的照片，从图中可以看出，-氧化铝的晶粒如很多蠕虫相互缠绕在一起，晶粒的粒径是氢氧化铝的许多倍，这种情况下的烧结温度只有1400，远低于-氧化铝的熔点(约2050)，同时-氧化铝的蒸气压较低，因此-氧化铝的生长以固相传质为主要传质方式，两个或多个颗粒相互融台，最终形成了蠕虫状的显微结构。A(2OO倍)B(1OOOO倍)图4-1 -氧化铝的聚合生长4.2烧结温度对-氧化铝显微结构的影响烧结工艺的基本参数包括烧结温度、升温速率、烧结气氛等。由于绝大多数材料烧结致密化的过程主要发生在升温阶段，研究升温速率对材料烧结行为的影响对于优化烧结工艺具有重要意义。图4-2为氢氧化铝在没有添加剂作用下不同温度条件下