奈米氧化鋁粉體的製備與應用進展

奈米氧化鋁粉體尺寸介於1-100 nm之間，20世紀80年代中期H。Gleiter等首次製得，隨後經過廣泛研究，對奈米氧化鋁的認識不斷加深，發現它除了具有奈米效應外，還具有表面積非常大、表面張力極大、顆粒間的結合力非常大、對光有強烈的吸收能力、熔點低、化學活性強，易發生化學反應、低溫時幾乎沒有熱的絕緣性等特性。

圖一 奈米氧化鋁SEM圖

氧化鋁存在多種晶型，不同晶型的奈米氧化鋁還具有各自的特點和應用領域。

奈米 γ-Al2O3 比表面積大、活性高，可以顯著提高催化效果，廣泛用於高效催化領域，國內外已被廣泛用作汽車尾氣催化劑、石油煉製催化劑、加氫和加氫脫硫催化劑等的載體；β-Al2O3 具有快離子導電效能，燒結體可以用於製備電池； α-Al2O3 可以製備高強度、高硬度、高韌性、高機械強度的陶瓷件，如切削工具、模具、磨料等。

備註：

β-Al2O3嚴格意義上不屬於氧化鋁，氧化鈉和氧化鋁的複合氧化物。

圖二 α-Al2O3晶體結構

奈米氧化鋁由於表面效應、量子尺寸效應、體積效應、宏觀量子隧道效應的作用而具有良好的熱學、光學、電學、磁學以及化學方面的性質，因此它被廣泛用於傳統產業（輕工、化工、建材等）以及新材料、微電子、宇航工業等高科技領域，如下表所列，隨著科學技術的迅猛發展，奈米氧化鋁的應用領域會得到更大地拓寬，市場需求量也會日益增大，應用前景非常廣闊。

表一 鈉米氧化鋁的應用

應用分類

使用特性

材料狀態

應用舉例

工程陶瓷

高強度

緻密燒結體

轉子、活塞、內襯

高硬度、高強度、高韌性

緻密燒結體

切削刀具

高機械強度

粉末

研磨料、磨具

熱效能

耐高溫

緻密燒結體

耐高溫坩堝、導彈視窗

導熱性

高純緻密燒結體、薄片

積體電路基板

電、磁效能

絕緣體

高純緻密燒結體、薄片

積體電路基板、散熱絕緣襯底

離子導電型

β-Al2O3燒結體

鈉硫電池

磁流體發電

緻密燒結體

電離氣體通道

光學效能

透光性

緻密透明燒結體

高壓鈉燈管、鐳射視窗

透紅外光性

熱壓燒結體

導彈視窗、衛星天線視窗

透無線電波性

緻密燒結體

感測器

化學功能

感測

燒結體

感測器

催化

粉體或多孔燒結體

催化劑、催化劑載體

吸音功能

吸音

多孔燒結體

吸音板

生物功能

機械強度

緻密燒結體

人造骨、齒

核應用

遮蔽射線

緻密燒結體

核反應堆遮蔽材料

圖三 奈米氧化鋁的應用

奈米粒子的優異效能，很大程度上取決於顆粒粒徑的大小。因此如何顆粒小，克服奈米化而導致的顆粒團聚現象無疑是奈米材料性質穩定、功能發揮的關鍵，目前已有不少製備方法能解決上述問題。

到目前為止，國內外對於奈米氧化鋁的 製備方法總體上可以分為三大類，即氣相法、液相法和固相法。

1、固相法

固相法可分為燃燒法、熱解法和非晶晶化法。燃燒法是將鋁粉直接燃燒而得到的微細氧化鋁的方法；熱解法是將鋁鹽經過熱分解反應，再經研磨，從而得到氧化鋁的奈米粒子。非晶晶化法是先製備非晶態的化合態鋁，然後經過退火處理，使非晶晶化。由於非晶態在熱力學上是不穩定的，在受熱或輻射條件下會出現晶化現象，控制適當的條件可以得到氧化鋁的奈米晶。

2、氣相法

氣相法是利用各種方式將物質變成氣體，使之在氣體狀態下發生物理或化學變化，在冷卻過程中凝聚長大形成超微粉的方法。

2.1鐳射誘導氣相沉積法

鐳射誘導氣相沉積合成技術主要是利用鐳射產生高溫環境，使得反應物在瞬間發生反應，產生超微粒的小胚胎。然後這些小胚胎會長大，當離開鐳射照射區時被快速冷卻而停止生長，形成微粉進入收集器，最後進行相應的處理，即可得到奈米粉體。

2.2等離子氣相合成法

鋁鹽在陰陽極板之間形成的等離子氣體氣氛下，與空氣發生氧化反應，形成氧化物。然後，對產物進行快速冷卻，使其形成微小顆粒即奈米氧化鋁。最後，對其進行收集。

2.3化學氣相沉積法

化學氣相沉積是氯化鋁在遠高於臨界反應溫度的條件下，使反應物蒸氣形成很高的飽和蒸氣壓，自動凝聚形成大量的晶核，生成的固態物質沉積在加熱的固態基體表面，最終在收集室內得到奈米氧化鋁。

3、液相法

液相法是目前實驗室和工業上廣泛採用的製備超微粉的方法。其過程是把鋁鹽配製成一定濃度的溶液，再選擇一種合適的沉澱劑或用蒸發、昇華、水解等操作將金屬離子均勻沉澱或結晶出來，最後將沉澱或結晶物脫水或者加熱分解制得超微粉。液相法可分為沉澱法、溶膠-凝膠法、溶液蒸發法以及微乳液反應法。

3.1沉澱法

沉澱法是在原料液中新增適當沉澱劑，使得原料液中的鋁離子形成各種形式的沉澱物，然後經過濾、洗滌、乾燥，加熱分解等工藝過程製得。沉澱法又可分為直接沉澱法、均勻沉澱法和水解沉澱法等。

3.2溶膠-凝膠法

此法又稱膠體化學法，是利用醇鋁鹽或無機鋁鹽的水解和聚合反應製備氫氧化鋁均勻溶膠，再濃縮成透明凝膠，凝膠經抽真空低溫乾燥可得氫氧化鋁的超微細粉，在不同的熱處理條件下鍛燒，可得不同晶型的奈米氧化鋁。其中控制溶膠凝膠化的主要引數為溶液的PH值、溶液濃度、反應溫度和時間等。

3.3溶液蒸發法

此法分為噴霧熱解法和冷凍乾燥法。即把溶液製成小滴後進行快速蒸發從而使組分偏析最小，再經過加熱分解制得奈米微粉。噴霧熱解法是將可溶性鋁鹽硝酸鋁、碳酸鋁按等溶液用噴霧器噴入到高溫的氣氛中，溶劑的蒸發和鋁鹽的分解 同時迅速進行，從而製得氧化鋁粉末。冷凍乾燥法是將鋁鹽溶液噴霧到低溫有機溶劑中，使其迅速冷凍，然後在低溫減壓條件下昇華脫水，最後再加熱分解得氧化鋁微粉。

3.4微乳液反應法

一般情況下，我們將兩種互不相溶液體在表面活性劑作用下形成的熱力學穩定、各向同性、外觀透明或半透明、粒徑1-100 nm的分散體系稱為微乳液。Maston等用超臨界流體-反膠團方法在AOT-丙烷-H2O體系中製備Al（OH）3 膠體粒子時， 使一種反應物在水核內，另一種為氣體，將氣體通入液相中，充分混合使二者發生反應而製備奈米顆粒。具體方法是採用快速注入乾燥氨氣 的方法得到球形均分散的超細Al（OH）3 粒子。