《微纳米技术》教学课件PPT
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氧化铝微纳米材料第二组:魏晓娟 杨东 李伟健氧化铝分类及应用概述氧化铝是目前金属氧化物中比较重要的一种,它广泛的应用在各种结构和功能陶瓷中。由于在晶型结构等方面存在差异,存在多种同质异构体,并且各自表现出独特的性质。氧化铝有很多种晶型,用 以及其它的衍射技术目前发现的在十二种以上。其中常见的有、等,其中相是高温稳定晶型,是含钠离子的多铝酸盐矿物,其化学组成 ,其它几种均为氧化铝的不稳定过渡晶型I引,在高温下可以转变为相。1氧化铝的性质及分类氧化铝的相分类及密度如表11所示,根据 堆积方式的不同及A 亚点阵的排列可以划分为两大类共计8种晶型。常见氧化铝性能将氢氧化铝在不同温度条件下焙烧,其中氧原子与铝原子的空间排布会因组成中水分的不断脱除而改变。热处理温度与氧化铝晶型之间的关系如图11所示,其中 等在转变为稳定 之前处于不稳定的过渡态7引。这些氧化铝一般具有较大的比表面积和内部缺陷结构,因而适宜作为催化载体、光 电材料来使用。在宏观上表现为熔点高、硬度大广泛应用在结构与功能陶瓷、耐磨、耐火材料等领域纳米氧化铝及其应用现状20世纪80年代中期HGleiter等首次报道合成具有纳米尺寸的氧化铝粉体,随后经过广泛研究,对纳米氧化铝的认识不断加深,发现它除了具有纳米效应外,还具有比表面积大、对光有强烈的吸收能力、熔点低、化学活性强,易发生化学反应、低温时几乎没有热的绝缘性等特性。因而广泛用做精细陶瓷、复合材料、医用材料、高级磨料、冶金材料、荧光材料、红外吸收材料等。1)陶瓷材料纳米氧化铝结构材料由于粒径小、比表面积大、活性高等特点可以有效降低陶瓷材料的烧结温度同时提高材料的致密度和扩散系数。纳米氧化铝材料在复合陶瓷领域也是一种性能优良的弥散增强材料,报道显示在陶瓷基体中加入少量的纳米级氧化铝材料可以使原材料的抗弯、抗压、断裂韧性等物理性能得到显著的提高,其中以SiCA1203纳米复合材料最为显著。(2)催化剂及其载体 在高效催化剂生产中,具有微纳米级粒径的颗粒往往具有比表面积大、表面化学活性高等特点。由于颗粒表面存在大量的断裂化学键和失配键使得表面存在大量的活性中心,因而适宜作为催化剂及催化载体广泛使用于石油化工、绿色催化、尾气净化等环保和工业生产领域。(3)光电材料纳米氧化铝的粒径小、粒径均匀较常规方法制备的氧化铝粉体更易于制备粗糙度低、尺寸精良的陶瓷元件。由于在现代电子工业中电子微晶是一大发展趋势,因而其作为多层电容器的电子陶瓷元件要求日益提高。常规氧化铝粉体由于粒径大、表面粗糙而影响其物理性能。纳米氧化铝成分均匀、单一分散可以作为规模集成电路衬底,同时由于对湿度极为敏感的特性可以作为温度传感器来使用。同时,根据纳米氧化铝粉体纯度高、颗粒分布均匀且分散性好等特点,易在添加剂中均匀混合,因此可作为保护膜涂层及灯管的荧光材料。(4)复合及涂层材料氧化铝常作为结构复合材料中的弥散相以增强基体材料的力学性能。当纳米氧化铝含量一定时,粒子小,粒子间距也就越小,越有利于材料屈服强度的提高。同时,纳米氧化铝可以作为无机相掺杂到极薄的透明有机涂料中,从而形成有机无机复合材料。如果将该复合涂料喷涂在诸如塑料、金属、硬质合金及磨光的大理石上,不仅具有传统涂料所具备的防尘、防污等功能,还具有耐磨、耐腐蚀的效果,从而提高现代工业中关键部位的的使用寿命。(5)生物医药材料利用纳米级氧化铝粉体纯度高、生理相容性好的特点,可以用来合成新型的具有特殊性能的复合生物陶瓷材料及纳米氧化铝弥散增强铝合金材料。这种复合生物材料可以用来制造人类牙齿或牙科修复材料,可以用来制造人类骨骼、药物缓释载体等并在临床上应用较为广泛。相关报道表明,纳米氧化铝粉体及其复合材料由于具有良好的结构相容性,而易与新生组织之间具有紧密结合且在生理环境中基本上不发生腐蚀。纳米氧化铝制备方法1固相法固相法是一种较为常用的粉体制备方法,具有能耗高、效率低、粉体粒度不均匀等缺点。比较而言由于该法制备的粉体颗粒成本低、产量大、制备工艺简单等优点,迄今仍是常用的方法。采2气相法获得的颗粒一般粒径均一,分散性能优良,很少或不发生团聚现象,但产率较低基本无法实现规模生产。3液相法液相法是目前广泛使用的常见方法工艺和设备简单组成可调,通过适当调节反应的温度、压力、pH值等影响反应沉淀的因素均可制备出粒径均一、分散性能良好的微纳米级氧化铝粉体。介孔氧化铝 氧化铝是目前工业生产领域应用最为广泛的催化剂载体,相比较氧化硅而言,它的水解稳定性更高,表面等电点、酸位及缺陷更多,因而更适合负载不同的金属氧化物或贵金属作为催化剂来使用。基于氧化铝的这些优良特性,人们往往通过对氧化铝颗粒的纳米化改造来增加其比表面积,其中制备具有介孔孔道的氧化铝材料是继介孔氧化硅之后的又一热门研究方向。介孔氧化铝一方面具有介孔材料比表面积大、孔容、孔道可控的特性,另一方面凸显了氧化铝材料表面酸位缺陷量大,适合负载的性能。因此,制备孔径集中分布且连续可调的介孔氧化铝探索其合成方法、合成机理,在理论和现实方面均具有巨大的意义。孔径尺寸小于2nm的,称为微孔材料;孔径尺寸大于50hm的,称为大孔材料;孔径尺寸介于2nm到50hm之间的,称为中孔或介孔材料目前,介孔氧化铝的制备方法主要包括电化学法、溶胶凝胶法和模板法。其中模板剂法最为常用,通常可根据液相合成路线中所采用的模板剂的不同类型分为阴离子型、阳离子型和非离子型三种合成方法介孔氧化铝应用领域(1)分离和吸附材料有序介孔材料具有高比表面积和吸附容量,是一种理想的分离与吸附材料。通过离子掺杂等方式可以实现介孔孔道的增容及比表面积的增加,从而实现介孔孔道结构的修饰及表面物化性质的改善,展现出改性前所不具备的物理特性。利用介孔材料较大的比表面积、良好的孔性能可以有效实现混合物中不同大小分子的分离及对污染性气体、重金属离子的有效吸附。(2)应用催化材料相对于硅基介孔材料与沸石材料而言,硅铝基及铝基介孔材料在作为催化剂及催化载体方面更具优势。硅基介孔材料酸性较弱,在石油化工领域中加氢裂解等对酸性要求不高的化学反应适应性较强,但基本无法使用于酸催化反应。硅铝基介孔材料及铝基改性介孔材料均属于掺杂型介孔材料,材料表面的酸位数量大,缺陷数量丰富,因而特别适用于高效酸催化反应。根据实验报道:在介孔氧化铝材料中掺杂金属离子或稀土元素不仅可以提高材料的热稳定性,扩展其催化应用范围,而且可以提高催化降解性能。高岭土概述中国是世界上最早发现并利用高岭土的国家。3000年前商代已出现用高岭土制成的刻纹白陶。我国优质高岭土的储量丰富约为46亿吨,占世界储量的38,居第九位。自然产出的高岭土矿,根据其质量可塑性和砂质的含量,可划分为软质高岭土、硬质高岭土、砂质高岭土三种工业类型。氧化铝具有比表面积大、易于负载等优良特性,在多相催化、大分子吸附与分离、陶瓷、等诸多功能材料领域具有良好的应用前景。以高岭土为原料制备纳米氧化铝、介孔氧化铝可有效降低氧化铝微纳材料的成本,强化深加工并拓宽高岭土应用领域。
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