氧化铝瓷低温烧结.docx
《氧化铝瓷低温烧结.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氧化铝瓷低温烧结.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
氧化铝瓷低温烧结
氧化铝陶瓷的低温烧结技术
氧化铝陶瓷是一种以Ａｌ２Ｏ３为主要原料，以刚玉（α—Ａｌ２Ｏ３）为主晶相的陶瓷材料。
因其具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能，以及原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势，氧化铝陶瓷已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航空航天等行业，成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。
然而，由于氧化铝熔点高达２０５０℃，导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高（参见表一中标准烧结温度），从而使得氧化铝陶瓷的制造需要使用高温发热体或高质量的燃料以及高级耐火材料作窑炉和窑具，这在一定程度上限制了它的生产和更广泛的应用。
因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度，降低能耗，缩短烧成周期，减少窑炉和窑具损耗，从而降低生产成本，一直是企业所关心和急需解决的重要课题。
目前，对氧化铝陶瓷低温烧结技术的研究工作已很广泛和深入，从７５瓷到９９瓷都有系统的研究，业已取得显著成效。
表一是已实现的各类氧化铝陶瓷低温烧结情况。
表中低温烧结氧化铝陶瓷的各项机电性能均达到了相应瓷种的国家标准，甚至中铝瓷在某些技术标准上超过高铝瓷的国标，如中科院上海硅酸盐研究所研制的１３６０℃烧成的８５瓷，其抗弯强度超过９９％Ａｌ２Ｏ３陶瓷的国标，各项电性能都优于９５％Ａｌ２Ｏ３瓷的国标；Ａｌ２Ｏ３含量分别为９０％和９５％的低温烧结陶瓷，其机电性能都优于９５瓷及９９瓷的国标。
纵观当前各种氧化铝瓷的低温烧结技术，归纳起来，主要是从原料加工、配方设计和烧成工艺等三方面来采取措施，下面分别加以概述。
一、通过提高Ａｌ２Ｏ３粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度。
与块状物相比，粉体具有很大的比表面积，这是外界对粉体做功的结果。
利用机械作用或化学作用来制备粉体时所消耗的机械能或化学能，部分将作为表面能而贮存在粉体中，此外，在粉体的制备过程中，又会引起粉粒表面及其内部出现各种晶格缺陷，使晶格活化。
由于这些原因，粉体具有较高的表面自由能。
粉体的这种表面能是其烧结的内在动力。
因此，Ａｌ２Ｏ３粉体的颗粒越细，活化程度越高，粉体就越容易烧结，烧结温度越低。
在氧化铝瓷低温烧结技术中，使用高活性易烧结Ａｌ２Ｏ３粉体作原料是重要的手段之一，因而粉体制备技术成为陶瓷低温烧结技术中一个基础环节。
目前，制备超细活化易烧结Ａｌ２Ｏ３粉体的方法分为二大类，一类是机械法，另一类是化学法。
机械法是用机械外力作用使Ａｌ２Ｏ３粉体颗粒细化，常用的粉碎工艺有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、气流粉碎等等。
通过机械粉碎方法来提高粉料的比表面积，尽管是有效的，但有一定限度，通常只能使粉料的平均粒径小至１μｍ左右或更细一点，而且有粒径分布范围较宽，容易带入杂质的缺点。
近年来，采用湿化学法制造超细高纯Ａｌ２Ｏ３粉体发展较快，其中较为成熟的是溶胶—凝胶法。
由于溶胶高度稳定，因而可将多种金属离子均匀、稳定地分布于胶体中，通过进一步脱水形成均匀的凝胶（无定形体），再经过合适的处理便可获得活性极高的超微粉混合氧化物或均一的固溶体。
目前此法大致有以下３种工艺流程。
（１）形成金属氧有机基络合物溶胶→水解并缩合成含羟基的三度空间高分子结构→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成活性氧化物粉料。
（２）含有不同金属离子的酸盐溶液和有机胶混合成溶液→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成粉体。
（３）含有不同金属离子的溶胶直接淬火、沉积或加热成凝胶→低温煅烧成粉体。
湿化学法制备的Ａｌ２Ｏ３粉体粒径可达到纳米级，粒径分布范围窄，化学纯度高，晶体缺陷多。
因此化学法粉体的表面能与活性比机械法粉体要高得多。
采用这种超细Ａｌ２Ｏ３粉体作原料不仅能明显降低氧化铝瓷的烧结温度（可降１５０℃—３００℃），而且可以获得微晶高强的高铝瓷材料。
表二是日本住友化学有限公司生产的易烧结Ａｌ２Ｏ３粉料理化指标。
此外，有专家推荐以下三种超细Ａｌ２Ｏ３粉体制备方法，仅供参考：
（１）将（ＮＨ４）ＳＯ４Ａｌ２（ＳＯ４）３·２Ｈ２Ｏ与（ＭｇＣＯ３）４Ｍｇ（ＯＨ）２·５Ｈ２Ｏ混合、加热到１２００℃分解，可获得含有ＭｇＯ的纯度为９９％、粒度为０２～０５μｍ的α—Ａｌ２Ｏ３超细粉料。
（２）将无水二醋酸铝加热到１２００℃保温３小时以上，可获得粒度小于０５μｍ的α—Ａｌ２Ｏ３超细粉体。
（３）铁筒钢球，湿磨数百小时，浆料加热酸洗除铁，浮选，反复多次，可制取粒度０３—０５μｍ的α—Ａｌ２Ｏ３超细粉料。
二、通过瓷料配方设计掺杂降低瓷体烧结温度
氧化铝陶瓷的烧结温度主要由其化学组成中Ａｌ２Ｏ３的含量来决定，Ａｌ２Ｏ３含量越高，瓷料的烧结温度越高，除此之外，还与瓷料组成系统、各组成配比以及添加物种类有关。
比如，在Ａｌ２Ｏ３含量相当时，ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系Ａｌ２Ｏ３瓷料比ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系瓷料的烧结温度低，对于我国目前大量生产的ＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系统瓷料而言，为使其具有较低的烧结温度与良好性能，应控制其ＳｉＯ２／ＣａＯ处于１６～０６之内，ＭｇＯ含量不超过熔剂类氧化物总量的１／３，同时，在配方中引入少量的Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ３等氧化物能进一步降低烧结温度、改善瓷体的微观组织结构和性能。
因此，在保证瓷体满足产品使用目的和技术要求的前提下，我们可以通过配方设计，选择合理的瓷料系统，加入适当的助烧添加剂，使氧化铝陶瓷的烧结温度尽可能降低。
目前配方设计中所加入的各种添加剂，根据其促进氧化铝陶瓷烧结的作用机理不同，可以将它们分为形成新相或固溶体的添加剂和生成液相的添加剂二大类。
１、与Ａｌ２Ｏ３形成新相或固溶体的添加剂。
这类添加剂是一些与氧化铝晶格常数相接近的氧化物，如ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ２等，在烧成中，这些添加物能与Ａｌ２Ｏ３生成固溶体，这类固溶体或为掺入固溶体（如Ｔｉ４＋置换Ａｌ３＋时），或为有限固溶体，或为连续固溶体（如Ｃｒ２Ｏ３与Ａｌ２Ｏ３形成的），它们可以活化晶格（ＴＩ４＋、Ａｌ３＋离子半径差所致）、形成空穴或迁移原子，（３ＴｉＯ２ＡｂＯ３３Ｔｉａ１＋Ｖａ１＋６０）以及使晶格产生变形，这些作用使得Ａｌ２Ｏ３陶瓷易于重结晶而烧结。
例如添加０５～１０％的ＴｉＯ２时，可使瓷体的烧结温度下降１５０—２００℃。
以固相烧结方式为主的高铝瓷常采用这类添加剂，例如某黑色氧化铝陶瓷配方如下（ｗｔ％）：
Ａｌ２Ｏ３９１、ＣｏＯ０５、ＭｎＯ２３７、Ｃｒ２Ｏ３２１、ＳｉＯ２０４、ＴｉＯ２２０、Ｖ２Ｏ３０３，该瓷料在１３５０℃下保温２小时烧成。
这类添加剂促进氧化铝瓷烧结的作用具有一定的规律性：
①能与Ａｌ２Ｏ３形成有限固溶体的添加剂较形成连续固溶体的添加剂的降温作用更大；②可变价离子一类添加剂比不变价的添加剂的作用大；③阳离子电荷多的、电价高的添加剂的降温作用更大。
需要注意的是，由于这类添加剂是在缺少液相的条件下烧结的（重结晶烧结），故晶体内的气孔较难填充，气密性较差，因而电气性能下降较多，在配方设计时要加以考虑。
２、烧成中形成液相的添加剂。
这类添加剂的化学成分主要有ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等，它们能与其它成分在烧成过程中形成二元、三元或多元低共熔物。
由于液相的生成温度低，因而大大地降低了氧化铝瓷的烧结温度。
当有相当量（约１２％）的液相出现，固体颗粒在液相中有一定的溶解度及固相颗粒能被液相润湿时，其促进烧结作用也更显著。
其作用机理在于液相对固相表面的润湿力及表面张力，两者使得固相颗粒靠近并填充气孔。
此外，烧结过程中因细小有缺陷的晶体表面活性大，故在液相中的溶解度要比大晶体的大得多。
这样，烧结过程中小晶体不断长大，气孔减小，出现重结晶。
为了防止因重结晶使晶粒过分长大，影响陶瓷的机械性能，在配方设计中需考虑选用一些对晶粒增大无影响甚至能抑制晶粒增大的添加物，如ＭｇＯ、ＣｕＯ和ＮｉＯ等。
目前，在液相烧结的Ａｌ２Ｏ３瓷料配方中，助烧添加剂可以采用以下３种物料形态来加入。
①以天然矿物形态加入。
这类矿物原料主要有：
高岭土、膨润土等粘土矿。
石英、滑石、菱镁矿、白云石、方解石等等，它们分别引入ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ等化学成分。
配方中高岭土及其它粘土矿物的使用，除了满足瓷体化学组成要求外，更主要可以改善坯料的成型性能。
添加剂的这种加入形式适用于Ａｌ２Ｏ３含量在９０％以下的中铝瓷配料，例如某低温烧结７５瓷配方如下（ｗｔ％）：
煅烧Ａｌ２Ｏ３６５、高岭土２４、膨润土２、ＢａＣＯ３４、方解石３、生滑石２。
②、以人工合成添加剂形态加入。
此法是在ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２、ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２、ＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２等三元、四元或其它相图中找到最低共溶物的组成点，预先按组成点的成分将ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等所需化合物进行第一次配料，经球磨、煅烧成为低共熔物，即“人工合成添加剂”，然后按一定配比将人工合成添加剂与Ａｌ２Ｏ３粉料进行第二次配料，以满足氧化铝陶瓷化学组成和性能要求。
此法纯度高，主要用于降低化学组成准确、性能要求高的高铝瓷烧结温度，缺点是工艺复杂，能耗高，制品成本高，只在特殊情况下采用。
③以化工原料形态加入。
在配料时，直接将各种化工原料作为添加剂与Ａｌ２Ｏ３粉体一起一次完成配料，各助烧添加剂的组成比例仍然是参照专业相图中最低共熔点的组成来设定。
生产实践证明，此法不仅与人工合成添加剂法具有同样的降温效果，而且大大简化了工艺，无论配方设计、配料计算和工艺过程都比人工合成添加剂法简便，也比天然矿物形态更容易，瓷质性能稳定，节能效益显著。
在实际生产中，从降低成本和坯料成型性能方面考虑，天然矿物原料和化工原料往往是同时使用的。
例如某低温烧成（１５００℃×２ｈ）的高铝瓷配方如下（ｗｔ％）；α－Ａｌ２Ｏ３９３、苏州土３、烧骨石２、ＣａＣＯ３１５、ＢａＣＯ３０５、外加ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３２％。
三、采用特殊烧成工艺降低瓷体烧结温度
采用热压烧结工艺，在对坯体加热的同时进行加压，那么烧结不仅是通过扩散传质来完成，此时塑性流动起了重要作用，坯体的烧结温度将比常压烧结低很多，因此热压烧结是降低Ａｌ２Ｏ３陶瓷烧结温度的重要技术之一。
目前热压烧结法中有压力烧结法和高温等静压烧结法（ＨＩＰ）二种。
ＨＩＰ法可使坯体受到各向同性的压力，陶瓷的显微结构比压力烧结法更加均匀。
就氧化铝瓷而言，如果常压下普通烧结必须烧至１８００℃以上的高温，热压２０ＭＰａ烧结，在１０００℃左右的较低温度下就已致密化了。
热压烧结技术不仅显著降低氧化铝瓷的烧结温度，而且能较好地抑制晶粒长大，能够获得致密的微晶高强的氧化铝陶瓷，特别适合透明氧化铝陶瓷和微晶刚玉瓷的烧结。
此外，由于氧化铝的烧结过程与阴离子的扩散速率有关，而还原气氛有利于阴离子空位的增加，可促进烧结的进行。
因此，真空烧结、氢气氛烧结等是实现氧化铝瓷低温烧结的有效辅助手段。
在生产实践中，为获得最佳综合经济效益，上述低烧技术往往相互配合使用，其中加入助烧添加剂的方法相对其它方法而言，具有成本低、效果好、工艺简便实用的特点。
在中铝瓷、高铝瓷和刚玉瓷的生产中被广泛使用。
另外，从材料角度来看，通过掺杂改性技术，大幅度提高氧化铝陶瓷的各项机电性能，用Ａｌ２Ｏ３含量低的瓷体代替Ａｌ２Ｏ３含量高的瓷体，也是企业常用的降低氧化铝陶瓷产品烧结温度的有效技术手段。
比如在材料性能满足产品使用要求下，用８５瓷代替９０瓷或９５瓷，用９０瓷、９５瓷代替９９瓷等都是可行的。
虽然氧化铝瓷低烧技术已取得较好的经济效益，但仍有潜力可挖，目前仍有一些产品，从材料的特殊性能要求和高温状态下器件的尺寸稳定性考虑，仍然采用高温烧结，如何将这类产品的烧结温度也降下来，是今后瓷体掺杂改性等低烧技术的努力方向。
吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造。
与吸附剂细孔有关的物理性能有：
a.孔容（VP）：
吸附剂中微孔的容积称为孔容，通常以单位重量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示（cm3/g）.孔容是吸附剂的有效体积，它是用饱和吸附量推算出来的值，也就是吸附剂能容纳吸附质的体积，所以孔容以大为好。
吸附剂的孔体积（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附剂中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。
而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。
b.比表面积：
即单位重量吸附剂所具有的表面积，常用单位是m2/g。
吸附剂表面积每克有数百至千余平方米。
吸附剂的表面积主要是微孔孔壁的表面，吸附剂外表面是很小的。
c.孔径与孔径分布：
在吸附剂内，孔的形状极不规则，孔隙大小也各不相同。
直径在数埃（A0）至数十埃的孔称为细孔，直径在数百埃以上的孔称为粗孔。
细孔愈多，则孔容愈大，比表面也大，有利于吸附质的吸附。
粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。
粗孔和细孔的关系就象大街和小巷一样，外来分子通过粗孔才能迅速到达吸附剂的深处。
所以粗孔也应占有适当的比例。
活性炭和硅胶之类的吸附剂中粗孔和细孔是在制造过程中形成的。
沸石分子筛在合成时形成直径为数微米的晶体，其中只有均匀的细孔，成型时才形成晶体与晶体之间的粗孔。
孔径分布是表示孔径大小与之对应的孔体积的关系。
由此来表征吸附剂的孔特性。
d.表观重度（dl）：
又称视重度。
吸附剂颗粒的体积（Vl）由两部分组成：
固体骨架的体积（Vg）和孔体积（Vk），即：
Vl=Vg+Vk
表观重度就是吸附颗粒的本身重量（D）与其所占有的体积（Vl）之比。
吸附剂的孔体积（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附剂中的微孔才有作用，所以VP中不包括粗孔。
而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。
e.真实重度（dg）:
又称真重度或吸附剂固体的重度，即吸附剂颗粒的重量（D）与固体骨架的体积Vg之比。
假设吸附颗粒重量以一克为基准，根据表观重度和真实重度的定义则：
dl==l/Vl ; dg=l/Vg
于是吸附剂的孔体积为：
Vk=l/dl–l/dg
f.堆积重度（db）：
又称填充重度，即单位体积内所填充的吸附剂重量。
此体积中还包括有吸附颗粒之间的空隙，堆积重度是计算吸附床容积的重要参数。
以上的重度单位常用g/cm3、kg/l、kg/m3表示。
g.孔隙率（εk）：
即吸附颗粒内的孔体积与颗粒体积之比。
εk=Vk/（Vg+Vk）=（dg-dl）/dg=1-dl/dg
h.空隙率（ε）：
即吸附颗粒之间的空隙与整个吸附剂堆积体积之比。
ε=（Vb-Vl）/Vb=（dl-db）/dl=1-db/dl
冻干法制备纳米氧化铝陶瓷粉的实验研究
发布时间：
2005-6-10
引言
纳米氧化铝作为一种极为重要的结构及功能陶瓷材料，在光、电、医疗和信息等领域有着广泛的应用，所用原料——高品质氧化铝纳米粉——的制备技术，近年来一直为研究人员所关注，已有大量文献介绍不同的制备技术[1～5]；其中，液相法中的真空冷冻干燥法（简称冻干法）是普遍看好的一种方法。
在以往的研究中都首先在液相中制得前驱体凝胶、溶胶或沉淀，然后将其在真空、低温条件下冷冻干燥。
在这个过程中，使难溶解的前驱体均匀地分散在液相中是关键而又难以控制的步骤，往往需要加入分散剂并要控制反应温度、滴加沉淀剂和搅拌的速度以及溶液酸碱度等条件，有时为得到品质优良的纳米氧化铝，还要选用价格昂贵的有机醇盐作原料[3]。
为了克服以上缺点，本研究选择以廉价的无机盐硫酸铝为原料，首次采用可溶性铝盐——次醋酸铝——为前驱体，利用真空冷冻干燥工艺，得到了性能优良的次醋酸铝纳米粉体，经煅烧后获得颗粒均匀、形状规则、粒径小且分布范围狭窄、表面活性高、分散性好、无硬团聚的纳米氧化铝陶瓷粉体。
2实验
2.1次醋酸铝溶液的制备
以硫酸铝和醋酸为原料制备次醋酸铝溶液的机理是：
实验时在25ml冰醋酸中加入133g十八水合硫酸铝和60g碳酸钙，充分搅拌同时加蒸馏水至100ml，静置2h后，吸滤除去硫酸钙沉淀，得到的滤液是浓度约为4M的次醋酸铝透明溶液，将此浓溶液分别稀释成浓度约为1.5M、1M、0.5M、0.2M的稀溶液备用。
2.2次醋酸铝溶液的冻干
将不同浓度的前驱体溶液分别盛放在直径约150mm的玻璃培养皿中，溶液装载量分别选择了深度为5mm、20mm和40mm，培养皿置于自制的ZLG-0.2型真空冷冻干燥机之内的搁板上，进行冻结和干燥。
冻结过程采用了不同的降温速率。
令溶液从室温下开始缓慢降温（控制制冷机组同时对冻干机搁板和捕水器制冷，则搁板降温速率较慢，约为0.5℃/min）和快速降温（控制制冷机单独对搁板制冷，则搁板降温速率较快，约为2℃/min）；或者是先将搁板预冷至低温，然后再将常温下的培养皿放置其上，令溶液过冷降温。
降温至-40℃以下时溶液完全冻结。
为确保溶液冻实，冻结过程常持续至搁板温度达-50℃。
干燥过程从冻干室抽真空开始，3min之内冻干室压力降至120Pa，继续抽真空15min，压力可降至极限值30Pa左右。
由于抽真空的同时停止对搁板制冷，搁板温度自然回升，同时由于水分升华，1h后室内压力回升至40Pa左右，此后便维持不变。
10h左右后，搁板温度能够自然回升至-5℃。
如果溶液装载量多而要求减缓升温速度，可对搁板间断制冷。
在此期间前驱体冻结物上层已经干燥成粉；由于自然升温速率降低，可改用辐射加热使之升温，但须控制未完全干燥的中下层冻结物不融化，直至全部干燥。
最后快速升温至50℃以上，对粉体进行升华干燥，持续4h后，结束干燥，解除真空取出样品。
干燥所需时间主要取决于解吸干燥时间的长短，这与冻干时溶液的装载量有直接关系。
实验中所用总的时间为12～36h不等，图1给出的是浓度为1.5M、装载量为20mm深度的样品的冻干曲线。
2.3次醋酸铝的煅烧分解
将冻干得到的次醋酸铝白色纳米粉末放入一个类似马弗炉的真空装置中，在约300℃、200Pa的条件下煅烧，使其分解为氧化铝白色粉末。
次醋酸铝煅烧分解的机理为
2.4氧化铝样品的测试
将煅烧后的氧化铝粉体样品直接喷金处理，利用英国剑桥S360型扫描电子显微镜（SEM）对其进行微米量级上的观测，从而确定粉体颗粒的团聚情况。
图2是两种不同样品的SEM图像，其中图（a）对应的是浓度为1.0M、装载量深度为20mm的样品；图（b）对应的是浓度为1.5M、装载量深度为40mm的样品。
从中可以看出，团聚形成的颗粒团尺寸在10～200μm范围内。
利用PhilipsTEM420型透射电子显微镜（TEM）对所制得的氧化铝粉体样品进行纳米尺度的观察，以确定粉体颗粒的粒径尺度。
试样的制备方法是：
用干净的镊子夹取少许粉体，放入一清洁容器内，加入几滴乙醇，用镊子或者玻璃棒轻轻搅动或必要时放在超声波发生器上进行分散，使之变成均匀悬浊液。
把覆有碳膜的铜网放在过滤纸上，用镊子蘸几滴液体滴到铜网上，让其自然干燥后，即可进行电镜观察并拍摄成不同放大倍数的TEM形貌图像。
图3是对应图2中两种样品的TEM图像。
从中可以看出，分散后的粉体微粒粒径均匀，形状规则，粒径尺寸在10～20nm范围内。
讨论
结合实验，就反应路径的选取、溶液浓度、冻结速率及干燥工艺等因素对所制粉体品质的影响，作如下粗浅分析。
3.1前驱体的选择
本研究以无机盐硫酸铝为原料，以次醋酸铝为前驱体来制备纳米氧化铝粉,具有如下特点：
与水解法使用有机醇铝盐相比，原料廉价；与其它液相法相比，本研究制备前驱体的反应是在常温下进行的，反应条件容易控制，不必刻意营造温度、酸度、搅拌速度等苛刻的反应环境和限定固定的反应速度；同时前驱体是可溶性铝盐，不需要分散剂就能在水中均匀分散，干燥后可以获得粒径均匀、成分纯净的粉末，而且实验的可重复性好；前驱体分解温度低，分解彻底，分解产物中除了所要产品外都是易于挥发的物质，所以可以获得高纯度的氧化铝纳米粉；分解产生的气体无毒、无腐蚀性，实验过程不会污染环境和侵蚀实验设备。
3.2溶液的浓度
在最初制备次醋酸铝溶液时，为了尽量地使硫酸根离子和钙离子沉淀除去，根据浓度积规则，应该使此两种离子在溶液中的浓度尽量大，所以在反应阶段应少加入水；但考虑到Al2（SO4）3•18H2O在水中的溶解度（约30），还应加入足量的水，综合以上两个因素，确定加入水至100ml，制成约4M的次醋酸铝溶液。
另一方面，从理论分析可知，冻干时的溶液浓度对干燥后粉体颗粒的粒径有明显的影响，根据溶液的冷冻相变规律，当溶液的初始浓度高于其共晶浓度时，首先析出的是溶质次醋酸铝，则会形成大粒径的颗粒；如果溶液的浓度低于其共晶浓度，则首先凝固的是溶剂成分水，溶液的浓度增大直至达到共晶浓度后，溶剂与溶质一起冻结，即形成低共晶混合物。
所以冻干时，为防止溶质首先析出，初始溶液的浓度应不大于共晶浓度，而且浓度低，所得到的粉体颗粒的粒径较小。
因此在冻干实验之前将溶液稀释。
当然，溶液稀释后增加了冻干阶段的负担。
3.3冻结的速率
冻结速率对所制粉体的粒径及颗粒间的团聚也有直接的影响。
对于稀溶液，如果降温的传热速率远远小于溶质在溶液中的传质速率，则首先析出的是纯净的冰；如果传热速率接近于溶质的传质速率，则析出物的空间生长速率与溶质的空间迁移速率相当，析出的固相物以冰晶的形式由低温面向高温区生长，溶液中来不及扩散迁移走的溶质次醋酸铝以共晶浓度溶液的形式留在冰晶间隙中，冻结过程最后形成的是纯净冰晶与共晶体微观上的分区混合物。
在这种情况下，降温速率越小，冰晶生长得越粗大，共晶体也越粗大，冰晶与共晶体的界面越明显，干燥后制得的粉体团聚颗粒也就越大；反之，降温速率越大，冰晶成分来不及迁移较远的距离，只能就地就近凝结析出，所形成的冰晶就越细小，剩余溶液所形成的共晶体也越细小，密集地分布在冰晶间隙间，干燥后制得的粉体团聚颗粒也就越小。
综上所述，冻结速度对冻结后固相物的组成和均匀程度有很大的影响，冻结速度越快，所得到的固相物浓度分布越均匀，微观晶粒越细小，干燥后所得到的粉体团聚体颗粒越小。
如图2所示，（b）图的样品浓度大、装载量多、冻结降温速率相对较小，所形成的团聚颗粒明显偏大，最大颗粒尺度达200μm；反之，图（a）的样品浓度低、装载量少、冻结降温速率相对较大，所形成的团聚颗粒小，颗粒尺度均在10μm以下。
3.4冻干工艺参数
在所完成的历次冻干实验中，尚未开展省时、节能、提高生产效率等最佳工艺的探索，工艺参数的选取和实验方案的确定主要是以获得高品质的前驱体粉体为第一目的。
例如，为防止冻结物融化，干燥阶段升温速率普遍控制很小，干燥时间很长，尤其是不同浓度、不同装载量的样品同时冻干的情况，只能按最慢的样品安排时间进程。
冻干实验中也发现如下问题：
当溶液浓度过低、装载量过深时，已干层粉体由于固相物质少，很难保持冻结时所形成的骨架结构，极易出现崩解，对于下面未干层的继续升华干燥造成影响，甚至会引起融化，而变成液相水分蒸发，从而导致颗粒间发生硬团聚。
所以并非浓度越低就越能避免颗粒间的团聚。
受实验条件所限，未对煅烧工艺开展深入研究。
所制不同前驱体样品是在相同煅烧工艺条件下同时处理的。
实验表明，在真空环境下低温煅烧以及有大量气体放出，均能有效保证粉体颗粒在煅烧分解时不发生再结晶和硬团聚，可以很好地保持粉体的分散性和表面活性。
无论团聚的颗粒大小如何，在进行TEM观察前的制样过程中，均可发现团聚颗粒很容易被分散，说明所形成的不是硬团聚，这对于所制粉体的进一步利用，如烧结成型为块体氧化铝陶瓷材料，是十分有利的；同时也意味着冻干工艺条件可相对放宽。
4结论
以无机盐硫酸铝为原料，首次选取次醋酸铝为前驱体，采用真空冷冻干燥法制备出氧化铝纳米微粉。
由样品的TEM图像可以看出，粉体微粒粒径均匀，形状规则，粒径尺寸在10～20nm范围内，分散性好，无硬团聚。
文中提出了前驱体
升级会员 