添加剂对煅烧αAl2O3性能的影响Word格式.docx

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1、实验过程

1.1实验原料

原料采用中铝股份郑州研究院氧化铝中间试验厂生产的纯拜尔法氢氧化铝，晶相为三水铝石，其主要性能指标如表1所示，XRD见图1。

添加剂为A、B、C三种，均为化学试剂，添加量均为1%（占Al2O3重量）。

表1原料Al（OH）3的性能指标

SiO2

Fe2O3

K2O

Na2O

CaO

MgO

Al2O3

灼减

Al（OH）3

0.013

0.0095

0.014

0.34

0.0050

0.0057

64.11

34.54

1.2实验设备

⑴1300℃高温电阻炉　

⑵1600℃高温电阻炉

⑶三维混料机

1.3分析检测仪器

⑴比表面积比表面/孔隙度分析仪NOVA3000e美国康塔公司

⑵X-衍射X-射线衍射仪X，PertProMPD英国帕纳科公司

⑶电镜照片扫描电子显微镜JSM-6360LV日本电子

1.4实验方法

将一定量的氢氧化铝分别与添加剂在三维混料机内混合均匀，装入刚玉坩埚，分别在1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1450℃温度下于高温电阻炉内进行煅烧，匀速升温，升至设定温度后保温2小时，随炉冷却至室温后取出，送样检测分析。

2实验结果与分析

图11050℃下四试样的XRD对照图

图21150℃下四试样的XRD对照图

图31250℃下四试样的XRD对照图

图41450℃下四试样的XRD对照图

表2四试样在不同煅烧温度下的性能指标

试样编号

（%）

比表面积（m2/g）

α相含量

2-0-1050

0.57

24.3

2

2-A-1050

0.58

21.8

4.6

2-B-1050

0.52

23.8

5.2

2-C-1050

0.41

0.70

92.5

4-0-1150

/

14.66

13.7

4-A-1150

10.85

16.4

4-B-1150

10.02

17.4

4-C-1150

0.50

92.3

6-0-1250

5.85

86.8

6-A-1250

2.17

93.1

6-B-1250

4.72

92.8

6-C-1250

7-0-1450

7-A-1450

7-B-1450

7-C-1450

0.26

0.076

0.024

0.12

0.78

2.09

1.22

1.91

92.6

92.1

97.5

96.2

81.0

3.1添加剂对α-Al2O3比表面积的影响

在氧化铝所有的物质形态中，α相是最稳定的相，其比表面积是所有过渡氧化铝中最小的。

在氧化铝水合物的煅烧过程中，在其脱除大部分水之后，随着煅烧温度的升高，氧化铝粉体的比表面积是逐渐减小的，这一趋势在表2中得到了很好的证实。

从表2还可以看出，比表面积总是伴随着α-Al2O3的大量生成而显著减少。

加添加剂的试样其比表面积总是明显低于未加添加剂的试样，而且三种添加剂对α-Al2O3比表面积的影响亦不相同，数值从小到大依次为：

C试样＜A试样＜B试样。

在实际生产中，单纯地考察比表面积一项指标没有太大的实际意义，而必须结合α-Al2O3相含量、晶体形貌、晶粒大小等多项指标综合考虑，才能判断某种α-Al2O3粉体煅烧性能的优劣，这一点在实际生产中至关重要。

3.2添加剂对α相变速率的影响

通过对七个温度段的X射线衍射图谱的对照比较，找出了四个有代表性温度段的XRD图谱进行了对比，如图1-4所示。

从图、表中可以看出，在相同温度下加添加剂试样中的α相含量都程度不同地明显高于未加添加剂试样中的α相含量。

这说明A、B、C三种添加剂都不同程度地对α相的形成起促进作用，即添加剂的存在可不同程度地降低α相的转化温度、提高α的相变速率。

从图中可以看出，未加添加剂的0#试样在1050℃时主要以K相为主，其次为θ相，ζ相则很少，α相还没出现。

随着煅烧温度的升高，过渡相K、θ、ζ逐渐减少，α相含量则在逐步增多，逐渐成为主相。

到1250℃时试样过渡相已近消失，α相的转变已接近完成，α相含量已达到86.8%。

从图中还可以看出，三种添加剂对α相的转化速度影响不同。

添加剂C的作用效果最为显著。

1050℃时试样（2-C）的α相含量已与1250℃无添加剂的试样（6-0）的情况相当，达到了92.5%，而且该试样在此温度下粉体比表面积亦与1250℃无添加剂试样（6-0）的比表面积值相当，说明试样（2-C）在1050℃时已经形成了结晶较好的α-Al2O3单晶颗粒。

添加剂A和B对促进α相形成的作用效果虽然相对较弱，但是添加A和B试样的α相含量均高于无添加剂的试样，在1250℃温度段表现的尤为突出，这一点从图3中α相峰值强度上即可看出。

3.2添加剂对α-Al2O3中的Na2O含量的影响

从表1可以看出，在1050℃时四试样的Na2O含量没有太大的差别，

随着煅烧温度的升高，各试样的Na2O含量都不同程度地减少，当1450℃各试样都已经完全转化为α-Al2O3时，其Na2O含量发生了较大变化，Na2O含量从高到低的顺序依次是：

试样7-0＞试样7-C＞试样7-A＞试样7-B。

由此可以说明添加剂能有效降低α-Al2O3中的Na2O含量，而且不同的添加剂除钠效果亦不相同，添加剂B的除钠效果最明显，在同等条件下它可以使α-Al2O3中Na2O含量迅速降到0.05%以下；

而添加剂C的除钠效果则较差。

3.3添加剂对α-Al2O3中β相含量的影响

从XRD图谱中发现，β相的形成受煅烧温度和添加剂作用的影响。

β-Al2O3往往随着α相的大量产生而出现，但唯独添加剂B的试验中自始自终没有明显出现。

β-Al2O3实质上是原料中的Na2O与Al2O3结合形成的一种高铝酸钠（Na2O.11Al2O3），添加B的试样中无明显的β相出现，可能是由于该添加剂会首先与Na2O反应，改变了Na2O的存在状态，使之不能再与Al2O3结合形成β-Al2O3。

这从另一个角度说明了为什么添加剂B除钠效果最明显。

从图1和表1还发现添加C的试样随着煅烧温度的升高，β-Al2O3的特征峰也随着增强，β相含量在增加，而α-Al2O3含量却没有太大的变化，当煅烧温度达到1450℃时，α相含量反而降低了，仅为81.0%（明显低于1050℃时的92.5%），而此时该试样的Na2O含量为0.12。

这种现象说明了β-Al2O3的大量生成可以明显抑制α-Al2O3的转化速度，降低α-Al2O3含量，同时，由于添加剂C的存在改变了Na2O的存在状态，使之更易与Al2O3结合形成β-Al2O3，而不能形成易挥发的盐类，即阻碍了Na2O含量的降低。

3.3添加剂对α-Al2O3晶体形貌的影响

图5-图8分别为四个试样在1450℃下煅烧的扫描电镜照片。

图5试样7-0×

2000SEM图6试样7-A×

2000SEM

图7试样7-B×

2000SEM图8试样7-C×

从图中可看出，不同试样中α相的晶体形貌与晶粒大小都有较大差异。

试样7-0中α相晶粒最为细小，类球形，小于1μm；

试样7-A中α相晶粒明显变粗，一次晶粒一般大于2μm，晶粒形状为蠕虫状，粘连现象比较严重；

试样7-B中α相晶粒比试样7-0的略粗一些，形状为短棒状，约1μm左右，试样7-C中α相晶粒最为粗大，大多形成板片状，大于5μm。

1450℃四试样已经完全转变为α-Al2O3，并生成了结晶完好的单晶颗粒，此时的比表面积值可以反映晶粒大小趋势，即比表面积越大，一次晶粒相对较小。

从表1中可以大致判断出试样7-C晶粒最大，试样7-0晶粒最小。

由此可以说明，添加剂在降低氧化铝α相转变温度的同时，还影响着α相晶粒的形貌及大小，不同添加剂的作用所产生的α-Al2O3晶粒大小和形状有明显区别。

这一点对实际生产有重要的指导意义。

4结论

⑴加添加剂试样的比表面积总是高于未加添加剂试样的比表面积。

在实际生产中不能单纯考察比表面积一项指标，必须结合α-Al2O3含量、晶体形貌、晶粒大小等多项指标综合考虑，才能正确评价α-Al2O3粉体煅烧性能的优劣；

⑵A、B、C三种添加剂都不同程度地对α相的形成起促进作用，添加剂的存在可不同程度地降低α相的转化温度、提高α的相变速率。

其中添加剂C效果最明显，它可以使α相转变温度降低近200℃，添加剂A和B的作用则相对较弱。

⑶A、B、C三种添加剂可以有效降低α-Al2O3中的Na2O含量。

添加剂B的除钠效果最显著，添加剂C的除钠效果相对较弱。

⑷β-Al2O3往往在α相形成的同时出现。

添加剂B的存在会明显抑制β相的生成；

添加剂C的存在则会促进β相的生成。

⑸添加剂还影响着α-Al2O3晶体形貌和大小，不同添加剂起作用所产生的α-Al2O3晶粒大小和形貌具有明显的区别。

⑹在实际生产中要根据α-Al2O3粉体的不同应用要求，添加、使用不同添加剂，才能得到所需性能要求的α-Al2O3粉体。