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基本信息

項目名稱：
氧化鋁陶瓷的低溫?zé)Y(jié)及其應(yīng)用研究
小類：
能源化工
簡介：
項目通過對低溫?zé)Y(jié)助劑的優(yōu)選，探討了助劑對陶瓷燒結(jié)性能的影響規(guī)律，并揭示CuO-TiO2復(fù)合助劑降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的機(jī)理，指出前人的研究缺陷。采用溶膠-凝膠法，將CuO-TiO2復(fù)合燒結(jié)助劑先驅(qū)體均勻“凍結(jié)”在鋁凝膠網(wǎng)絡(luò)中，在較低溫度下了合成單一α-Al2O3納米級粉體。在此基礎(chǔ)上，對氧化鋁陶瓷在陶瓷閥芯、微波介質(zhì)陶瓷以及摩擦材料等方面的應(yīng)用展開了研究。
詳細(xì)介紹：
V2O5-Li2CO3復(fù)合燒結(jié)助劑和單一Li2CO3燒結(jié)助劑對降低Al2O3陶瓷燒結(jié)溫度的效果并不好。CuO-TiO2復(fù)合助劑通過TiO2固相燒結(jié)和CuO液相燒結(jié)機(jī)理能有效降低Al2O3陶瓷燒結(jié)溫度，使其在1200℃實現(xiàn)燒結(jié)。 通過引入CuO與TiO2助劑先驅(qū)體，納米粉體的合成溫度從1200℃降低到1000℃，使單一α-Al2O3相的合成溫度降低了100～200℃。同時縮短了γ-Al2O3向α-Al2O3的轉(zhuǎn)變時間。通過引入MgO-CaO-Al2O3-SiO2玻璃助劑先驅(qū)體，可在1000℃獲得單一α-Al2O3晶相，與未引入玻璃助劑先驅(qū)體相比，其合成溫度降低了100～200℃。同時，玻璃助劑先驅(qū)體的引入，加快了γ-Al2O3向α-Al2O3的轉(zhuǎn)變進(jìn)程。 在鋁溶膠中引入助劑先驅(qū)體得到的納米氧化鋁粉體，能夠降低陶瓷的燒結(jié)溫度。由CuO與TiO2助劑先驅(qū)體引入后在1000℃下煅燒制的納米粉體，可使陶瓷在1150℃達(dá)到理論密度的95%以上。在 1100 ℃下煅燒添加了MgO-CaO-Al2O3 -SiO2的鋁溶膠獲得的粉體，可使陶瓷在1500℃實現(xiàn)燒結(jié)。 在上述材料配方探討基礎(chǔ)上，對低溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷在摩擦材料、微波介質(zhì)陶瓷、陶瓷閥芯等領(lǐng)域的應(yīng)用展開了研究。以上述探討獲得的低溫?zé)Y(jié)氧化鋁為原料，通過混料、壓片、排膠、燒結(jié)，在1300 ℃溫度下燒結(jié)制備出氧化鋁陶瓷閥芯。由于本項目將氧化鋁陶瓷閥芯的燒結(jié)溫度從1750℃降低到1300℃，有效節(jié)省了陶瓷燒結(jié)過程中的能耗，具有重要的工業(yè)應(yīng)用前景。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國Al2O3含量在85%以上的高鋁瓷產(chǎn)量已突破70kt/年，這對國家的節(jié)能降耗具有重要的意義。

作品圖片

  • 氧化鋁陶瓷的低溫?zé)Y(jié)及其應(yīng)用研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

在氧化鋁陶瓷中引入CuO-TiO2、CaO-MgO-Al2O3-SiO2以及CaSiO3等燒結(jié)助劑，分別利用液相與固相燒結(jié)降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。進(jìn)而對燒結(jié)助劑進(jìn)行優(yōu)選，通過引入CuO-TiO2與CaO-MgO-Al2O3-SiO2助劑先驅(qū)體，使其均勻“凍結(jié)”在凝膠中并利用納米顆粒與燒結(jié)助劑的協(xié)同作用來降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。對氧化鋁陶瓷在陶瓷閥芯、微波介質(zhì)陶瓷以及摩擦材料進(jìn)行了應(yīng)用研究。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處

揭示CuO-TiO2復(fù)合助劑降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的機(jī)理，指出了前人的研究缺陷。通過對低溫?zé)Y(jié)助劑的優(yōu)選，采用溶膠-凝膠法，將燒結(jié)助劑先驅(qū)體均勻“凍結(jié)”在鋁凝膠網(wǎng)絡(luò)中，在較低溫度下了合成納米級氧化鋁粉體，并利用納米顆粒與燒結(jié)助劑的協(xié)同作用來降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。在降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的基礎(chǔ)上，對其在陶瓷閥芯、微波介質(zhì)陶瓷以及摩擦材料等方面的應(yīng)用展開了研究。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國氧化鋁含量在85%以上的高鋁瓷產(chǎn)量已突破70kt/年。當(dāng)將高鋁瓷燒成溫度由1600-1650℃降至1450-1500℃，燒成能耗可降低25-35%。如此一來，每燒制1000 Kg高鋁瓷可節(jié)電1100 kW?h或節(jié)約液化石油氣180-210 kg。由于本項目將氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度從1750℃降低到1300℃，有效節(jié)省了陶瓷燒結(jié)過程中的能耗，具有重要的工業(yè)應(yīng)用前景。

學(xué)術(shù)論文摘要

通過在氧化鋁陶瓷中添加V2O5-Li2CO3、Li2CO3、CuO-TiO2等燒結(jié)助劑，探討了不同助劑種類及含量對氧化鋁陶瓷燒結(jié)性能、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨特性等的影響規(guī)律；在上述研究基礎(chǔ)上，利用最佳的配方比例，通過在鋁溶膠中引入CuO-TiO2與CaO-MgO-Al2O3-SiO2助劑先驅(qū)體，利用溶膠-凝膠法在較低溫度下合成了納米氧化鋁粉體，進(jìn)而利用納米粉體與助劑的協(xié)同作用來降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。通過上述實驗探討發(fā)現(xiàn)，CuO-TiO2低溫?zé)Y(jié)助劑的引入，利用CuO液相燒結(jié)與TiO2固相燒結(jié)的協(xié)同作用，有效降低了氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度；通過在溶膠中引入燒結(jié)助劑先驅(qū)體，納米粉體的合成溫度從1200℃降低到1000℃，使單一α-Al2O3相的合成溫度降低了100～200℃，同時縮短了γ-Al2O3向α-Al2O3的轉(zhuǎn)變時間。在上述材料配方探討基礎(chǔ)上，綜合考慮陶瓷燒結(jié)溫度與耐磨性能，利用最佳的陶瓷配方，在1300℃溫度下燒結(jié)制備出氧化鋁陶瓷閥芯，同時對對低溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷應(yīng)用于汽車制動用摩擦材料、移動通訊用微波介質(zhì)陶瓷等應(yīng)用研究展開了探討。

獲獎情況

（1）張斌, 王煥平, 馬紅萍, 徐時清, 李登豪, 周廣淼. CuO-TiO2復(fù)合助劑低溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷機(jī)理(Ⅰ) [J]. 材料研究學(xué)報, 2009, 23(5): 534.（EI收錄） （2）李登豪, 王煥平, 馬紅萍, 徐時清, 張斌, 周廣淼, 劉銀紅. 玻璃先驅(qū)體對溶膠-凝膠合成納米氧化鋁的影響 [J]. 稀有金屬材料與工程, 2010, 39(A02): 336.（SCI收錄） （3）王煥平, 張斌, 馬紅萍, 徐時清, 李登豪, 周廣淼. CuO-TiO2復(fù)合助劑低溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷的機(jī)理(Ⅱ) [J]. 材料研究學(xué)報, 2010, 24(1): 37-43.（EI收錄） （4）王世鋒, 王煥平, 周廣淼, 李登豪, 張斌, 徐時清. 溶膠-凝膠法低溫合成亞微米α-Al2O3的制備與表征 [J]. 化工學(xué)報, 2010, 61(12): 3309.（EI收錄） （5）王世鋒, 王煥平, 張斌, 周廣淼, 徐時清. 氧化鋁粉體及混雜纖維改性樹脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能 [J]. 非金屬礦, 2010, 33(6): 72-75. （6）Jin-min Chen, Huan-ping Wang, Si-qiao Feng, hong-ping Ma, De-gang Deng, Shi-qing Xu. Effects of CaSiO3 addition on sintering behavior and microwave dielectric properties of Al2O3 ceramics [J]. Ceramics international, 2011, 37: 989.（SCI收錄） （7）發(fā)明專利：一種合成納米氧化鋁粉體的方法. 王煥平, 徐時清, 鄧德剛, 鞠海東, 周廣淼. 發(fā)明專利申請?zhí)? 200810164121.4（已獲授權(quán)） （8）發(fā)明專利：合成高溫穩(wěn)定型α-Al2O3納米粉體的方法. 徐時清, 王煥平, 趙士龍, 王寶玲, 張斌, 李登豪. 發(fā)明專利申請?zhí)? 200810164120.X，（已獲授權(quán)）

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

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同類課題研究水平概述

一種途徑是通過獲得分散均勻、無團(tuán)聚，并具有良好燒結(jié)活性的超細(xì)粉體來達(dá)到降低陶瓷燒結(jié)溫度的目的。例如劉銀等通過在粗晶氧化鋁陶瓷中添加40%的納米Al2O3粉體，可將氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度降低到1550 ℃以下；CL Huang等以納米級氧化鋁粉體為原料，在1450 ℃實現(xiàn)了氧化鋁陶瓷的致密燒結(jié)。另一種降低陶瓷材料燒結(jié)溫度的方法是添加適量的燒結(jié)助劑，以達(dá)到降低陶瓷材料燒結(jié)溫度的目的。李江等以濕化學(xué)法制備的納米α-Al2O3粉體作為添加劑、MgO和SiO2為燒結(jié)助劑，對γ-Al2O3粉體預(yù)處理后，在1450 ℃燒結(jié)獲得高性能的氧化鋁陶瓷；此外，CaO-MgO-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2、CaO-A12O3-SiO2玻璃以及TiO2、B2O3、MnO、CuO等氧化物已用于降溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷，其中玻璃和部分氧化物可將氧化鋁的燒結(jié)溫度降低到1400～1450 ℃，MnO+TiO2與CuO+TiO2可在1250～1300 ℃實現(xiàn)氧化鋁陶瓷的致密燒結(jié)。 納米氧化鋁的制備方法多種多樣，有固相法、氣相法、液相法等，其中沉淀法、溶膠-凝膠法等濕化學(xué)方法是應(yīng)用最廣、最為成熟的方法。韓冰等利用硝酸鋁溶液和碳酸銨溶液的沉淀反應(yīng)制備一種氧化鋁的前驅(qū)體，在1210 ℃煅燒1 h可轉(zhuǎn)化為一次粒徑40 nm左右的α-Al2O3。張永成等以Al(NO3)3?9H2O、NH4HCO3為原料，采用化學(xué)沉淀法制備了NH4Al(OH)2CO3和AlO(OH)前驅(qū)體，在1100 ℃煅燒后獲得θ與α兩相共存的納米Al2O3粉體。趙玉成等以廉價的無水氯化鋁為原料，采用液相法制備出Al(OH)3沉淀，經(jīng)1200 ℃煅燒2 h后，獲得平均粒徑30～80 nm的α-Al2O3。M. Shojaie Bahaabad等采用價格低廉的AlCl3?6H2O與Al粉為原料，通過溶膠-凝膠法在1100 ℃煅燒后獲得納米級的α-Al2O3粉體，經(jīng)過1200 ℃熱處理后粉體的粒徑在32～100 nm之間。史桂梅等以異丙醇鋁（Al(C3H7O)3）為原料，采用溶膠-凝膠法制備出了納米Al2O3粉體，在450 ℃熱處理干凝膠后獲得粒徑在10 nm左右的非晶體，在1200 ℃的溫度下處理1 h后完全轉(zhuǎn)變成粒徑在15～35 nm的α-Al2O3納米顆粒。
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