1.1 Súrál kristal uppbygging
Súrál hefur tiltölulega flókna uppbyggingu, þar sem því er skipt í tvo flokka byggt á fyrirkomulagi O2-: teningsbyggingu (fcc) eða sexhyrndum, lokuðum byggingu (hcp). Innan þessara tveggja meginflokka er hægt að gera frekari flokkun út frá Al3+, þar á meðal (kubískt), η (kubískt), θ (einoklínískt) og δ (orthorhombic) byggir á fcc grindunum, en (trigonal), κ (orthorhombic), og χ (sexhyrnd) eru hcphyrnd.
-Al2O3 kristalbyggingin er með O2- sem er raðað í sexhyrndan, þétt-pakkað uppbyggingu, þar sem hinir hlutar mynda átthagaða millivefsvæði, og Al3+ fyllir 2/3 af millivefsstöðum, og tryggir þar með að efnaformúla súráls sé -Al2O3. Fyllingarreglan Al3+ á millivefssvæðum með áttundum uppfyllir reglur Pauling, það er að fjarlægðin milli Al3+ innan sama lags og milli laga ætti að vera eins langt í sundur og mögulegt er [1].
-Al2O3 er frekar skipt í flögur-eins og -Al2O3 og kúlulaga -Al2O3. Flaka-eins og -Al2O3 sýnir tvívíddar-plana uppbyggingu í geimnum, með lítilli þykkt og stóru þvermáli-til-þykktarhlutfalli. Það er venjulega búið til með þremur aðferðum: blautefnafræði, viðbragði í föstu formi- og bráðnu saltaðferð. Kúlulaga -Al2O3 uppbyggingin er aðallega raðað í þrívítt rými og vöxtur hennar í tvívíddarstefnunni verður að bæla niður meðan á undirbúningi stendur, þannig að hér eru aðallega notaðar aðferðir eins og einsleit úrkoma, vatnshitaaðferð, dropkúluaðferð, sniðmátaðferð, úðunaraðferð og plasma rafgreining. Kúlulaga -Al2O3 er tiltölulega erfiðara í undirbúningi.
-Al2O3 kristalbyggingin einkennist af rúmþéttri pökkun O2- og myndar þar með áttundarbyggingu. Þessi uppbygging þróast enn frekar í spínelbyggingu, þar sem 32 rúmmetrar, lokuð O atóm mynda einingafrumuna. Í spinel uppbyggingu mynda 32 O frumeindir 8 tetrahedral holrúm og 16 octahedral holrúm, þar sem 67/3 ál frumeindir dreifast handahófskennt í tómum, en 8/3 tóm eru til [2].
Einkenni -Al2O3 kristalbyggingarinnar felst í miklu tilteknu yfirborði þess og víða dreifðum virkum miðstöðvum. Við viðeigandi hvarfahitastig sýnir þetta efni góðan stöðugleika. Þess vegna hafa -Al2O3 hvatar víðtæka notkunarmöguleika í iðnaði og vísindarannsóknum vegna mikillar sértækni þeirra.
-Al2O3 er stöðugasta kristalform súráls og hin kristalformin eru óstöðug og kallast umbreytingarfasar. Þessir umbreytingarfasar munu að lokum umbreytast í stöðuga -Al2O3 uppbyggingu við ákveðnar aðstæður, þannig að -Al2O3 er einnig lokaumbreytingarfasinn súráls. Þess vegna er aðeins -Al2O3 til í náttúrunni, í formi náttúrulegra steinefna eins og náttúrulegs korunds, rúbíns og safírs. Þessi uppbygging er einnig kölluð korund kristalbygging [3-4].
1.2 Súrál keramik
Súrálkeramik er afkastamikið-keramikefni. Vegna framúrskarandi eðlis- og efnafræðilegra eiginleika þeirra eru þeir mikið notaðir í erfiðu umhverfi eins og háum hita, miklum styrk, hárri slitþol og mikilli einangrun. Þróunarsögu þeirra má rekja til loka 19. aldar. Vegna mikils styrkleika og stífleika er súrálkeramik eitt vinsælasta oxíðkeramikið. Á sama tíma, vegna almennra vélrænna, rafmagns- og sjónfræðilegra eiginleika þeirra, er súrálkeramik notað á mörgum nútíma iðnaðarsviðum.
Sálkeramik hefur mikla hörku, með Rockwell hörku upp á HRA80-90, sem er næst á eftir demanti. Slitþol súráls keramik er jafngild 266 sinnum hærra en manganstáls og 171,5 sinnum hærra-krómsteypujárni. Við sömu vinnuskilyrði getur það lengt endingartíma búnaðar um að minnsta kosti tíu sinnum. Þéttleiki súráls keramikefnis er 3,7 ~ 3,95 g/cm³, aðeins helmingur af stáli, sem getur einnig dregið verulega úr álagi búnaðar. Á sama tíma hefur það einnig kosti eins og mikla hitaleiðni, góða viðnám og hitastöðugleika og lítinn rafstuðul. Það er ákjósanlegur efniviður fyrir nýja kynslóð af örrafrænum tækjum og kerfum og hefur orðið aðalefnið fyrir hvarfefni hringrásar á sviðum eins og flugrými, 5G fjarskiptum, há-afl hálfleiðurum og aflmikilli LED lýsingu [5].
Hár-hreinleiki offínt súrálsduft undirbúningstækni er einn af lykilþáttunum sem takmarkar hraða þróun sérstakra súráls keramikefna og er einnig lykilatriði til að draga úr kostnaði og auka skilvirkni í iðnaðarframleiðslu. Þróun nýrra aðferða til að útbúa hágæða keramikduft hefur mikla þýðingu fyrir þróun keramikefna og tengdra há-tæknisviða.
2
Tækni til að undirbúa súrálduft
2.1 Flokkun súrálsforefna
Framleiðslu súráls felur venjulega í sér varma niðurbrot súrálshýdrata, sem falla út úr lausnum sem innihalda Al3+ jónir eða málmlífræn efnasambönd. Rannsóknir hafa sýnt að þetta umbreytingarferli (eins og ofþornun bóhmits í -Al2O3) er efnahvarf sem gerir það að verkum að smásæ formgerð forefnisins haldist í súrálinu. Þess vegna eru eiginleikar súráls nátengd hýdratforveranum.
Samkvæmt mismunandi uppbyggingu og vatnsinnihaldi eru forefni súráls aðallega gibbsít, bayerite, nordstrandite og diaspore, þar á meðal er diaspore skipt frekar í diaspore og boehmite. Gibbsít er aðalþáttur báxíts á hitabeltissvæðum. Sem lokaafurð Bayer ferlisins í atvinnuskyni er hún framleidd í stórum stíl með basískri útfellingu Al3+ og er mikið notað sem logavarnarefni, aukefni fyrir fjölliður og pappír, tannkremsfylliefni og sveiflujöfnun fyrir títantvíoxíð. Kristalbygging gibbsíts tilheyrir einklíníska kerfinu, með ál-súrefnis-oktahedra tengdum með brúnum til að mynda lagskipt uppbyggingu, og fyrirkomulag tveggja-laga stöflunar er hægt að tjá sem AB BA AB BA.... Boehmite, einnig þekkt sem gervi-boehmite. Það er hægt að búa til vatnshita með því að nota gibbsít sem hráefni, eða fá það með stýrðri brennslu á bayerite. Boehmite tilheyrir réttstöðukerfinu, með ál-súrefnisoktahedra tengdum með brúnum og raðað í þrepaskipan hátt, og lög þess eru tengd með vetnistengi. Í áttundarbyggingunni er súrefnisatóm raðað á þann hátt sem ABC ABC....
Meðal ýmissa forefna álhýdroxíðs er gervi-bóhmit tegund hýdrats með tiltölulega lágan kristöllun. Það einkennist af miklu sértæku yfirborði, miklum svitaholum, jákvætt hlaðnu yfirborði, auðveldri dreifingu í vatni og hýdroxýl-leysum sem innihalda hýdroxýl- og góð leysni hlaups við súr aðstæður. Þessir eiginleikar gera gervi-bóhmit mikið notað sem hvataburðarefni og bindiefni, og það er einnig mikilvæg milliefni til að framleiða virkjað súrál [6].
2.2 Aðferðir til að undirbúa súrálduft
2.2.1 Gasfasaaðferð
Gasfasaaðferðin notar beint gas eða gufar hvarfefni með mismunandi upphitunaraðferðum, sem veldur því að eðlisefnafræðileg viðbrögð eiga sér stað í loftkenndu ástandi og loks þéttast til að mynda ofurfínt duft. Þessi tegund af aðferð hefur væg viðbragðsskilyrði, auðvelda stjórn á þéttingu, góðan dreifileika agna, litla kornastærð og þrönga dreifingu; ókosturinn er mjög lág uppskera og erfitt er að stjórna framleiðslukostnaði.
Í gasfasaaðferðinni verður að gufa upp hráefni alveg fyrir hvarf, sem eyðir mikilli orku, og hvarfið krefst mikið magn af óvirku gasi með mjög lágum raka, sem leiðir til tiltölulega hás kostnaðar fyrir gasfasaaðferðina.
Kemísk gufuútfelling (CVD) er almennt notuð gasfasaaðferð til að útbúa nanó-súrál. Þessi aðferð notar álklóríð og vatnsgufu til að hvarfast í hvarfhólf til að mynda súrál nanópúður. Algengar CVD aðferðir eru loga CVD, laser pyrolysis CVD og fleiri. Han Shizhong o.fl. [7] undirbúið há- súrálduft með meðalagnastærð 5,6 nm með plasma lífrænum málmumhverfi, hvarfast í súrefnisumhverfi við 1000 gráður og 5,3 kPa til að fá kúlulaga nanó-sálduft.
2.2.2 Vökvafasaaðferð
Vökvafasaaðferðin felur í sér að leysa upp álsölt í ákveðnum leysi, aðskilja uppleysta efnið og leysið með uppgufun, sublimation, bæta botnfalli, vatnsrof og aðrar aðferðir til að fá agnir af ákveðinni lögun og stærð, það er að undirbúa forvera Al2O3 dufts, og að lokum hita og niðurbrot forverans.
Í fyrsta lagi er álþátturinn til í lausninni á jónuðu formi og hægt er að leysa hann upp í vatnsleysum eða lífrænum leysum eins og tríklórómetýl, etanóli og tólúeni í gegnum álsölt eins og álsúlfat, álsek-bútoxíð og natríummetalumínat. Í kjölfarið er hægt að setja áljónirnar út og fella þær út í formi samgildra oxíða með aðferðum eins og vatnsrof og uppgufun álsalta, eða með því að nota útfellingarefni eins og ammóníumkarbónat, natríumhýdroxíð, þvagefni og brennisteinssýru. Að lokum er botnfallið þvegið og þurrkað eða brennt við háan hita til að fá æskilegt súrálskristallform [8-9].
Spray Pyrolysis Tækni
Spray pyrolysis tækni, einnig þekkt sem loga úða pyrolysis tækni, er aðferð til að útbúa ofurfínt súrálduft sem byggir á úthljóðsmynduðum míkron-stórum úðabrúsa sem eru hituð og brotin niður við 400 gráðu ~800 gráður. Laine o.fl. [10] tókst að hreinsa margfasa súrálsduft með því að nota úðahitunartækni, sem fékk há-nano-súrálduft með mikilli -hreinleika með kornastærð 50 nm~80 nm og -fasahreinleika 50%~85%.
Alkoxíð vatnsrofsaðferð
Alkoxíð vatnsrofsaðferðin felur í sér að útbúa lausn úr hentugu -vatnsleysanlegu álsalti í samræmi við stoichiometric hlutföll, síðan valið botnfall sem getur hvarfast við málmjónir til að mynda botnfall og að lokum hitað og þurrkað botnfallið til að fá ofurfínt duft [11]. Algengar alkoxíð vatnsrofsaðferðir fela í sér brennisteins-losun-lausa álammoníumsúlfataðferðina og álammoníumkarbónataðferðina o.s.frv. [12-13].
Zhong Lianyun o.fl. [14] notaði greiningarhreint álnítrat og ammóníumbíkarbónat sem helstu hráefni til að búa til nanó-Al2O3 duft með sam-úrfellingaraðferðinni. Meðalagnastærð tilbúna nanó-Al2O3 duftsins var 20 nm~30 nm. Með því að bæta yfirborðsvirka efninu PEG6000 við bætti dreifivirkni -Al2O3 dufts.
Bætt Bayer ferli
Bayer ferlið notar breytinguna á leysanleika áloxíðs í basískri lausn, með því að nota óblandaða natríumhýdroxíðlausn til að umbreyta álhýdroxíði í natríumalúminat, aðskilja síðan óleysanleg efni með útfellingu og loks endurfella álhýdroxíð með þynningu og bæta við álhýdroxíði og afhýdroxíði í kjölfarið. súrál duft.
Á undanförnum árum, með stöðugri betrumbót á Bayer ferlinu, hafa nýjar aðferðir sem geta skilvirkt þurrkunarefni verið þróaðar [15]. Endurbætt Bayer ferlið bætir aðallega framleiðslu á natríumhýdroxíði og natríumfjarlægingu, framkvæmir þurrkunar- og járnfjarlægingu á natríumaluminati og stjórnar niðurbrotsskilyrðum til að fá há-hreinleika álhýdroxíðs. Á meðan á þessu ferli stendur fellur álhýdroxíð hægt út, sem dregur í raun úr tíðni óeðlilegra kristalkjarna og dregur einnig úr upptöku natríum- og sílikonóhreininda. Að lokum fæst há- súrál með háum-hitabrennslu og mölun.
Sól-hlaupaðferð
Sol-gel aðferðin er einföld og áhrifarík aðferð til að búa til nanó-súrál. Ólíkt útfellingaraðferðinni, sem upphaflega breytist í sól og hlaup, fara álsölt og amín- eða ammóníumsaltlausnir með há-hreinleika undir vatnsrof eða fjölliðun til að mynda forverahlaup, sem síðan er alkóhól-þvegið, þroskað og að lokum brennt til að fá súrálduft.
Sumir vísindamenn hafa einnig gert tæknilegar endurbætur byggðar á hefðbundinni sól-gelaðferð. Til dæmis tók Zhu Zuoyuan [16] upp blendingsferli málmaalkoxíðvatnsrofs og sól-gelaðferð til að útbúa há- ofurfínu súrálduft. Fyrst var álduft með hreinleika sem var meira en eða jafnt og 2N hitað til að búa til álalkoxíðlausn, óleysanleg óhreinindi í agna voru fjarlægð með örsíun og eftir öldrun var vatnsrof framkvæmd. Þurrt hlaup fékkst með eimingu og að lokum var súrálduft með háum-hreinleika fengið með há-hitabrennslu.
Ál alkoxíð aðferð
Ál alkoxíð aðferðin tilheyrir tæknilegri endurtekningu alkoxíð vatnsrofsaðferðarinnar. Það felur í sér að bæta málmálflögum við ísóprópanóllausn til að hvarfa til að mynda álísóprópoxíð, síðan vatnsrofa álísóprópoxíð til að mynda vökvað súrál, og eftir skref eins og öldrun, síun, þurrkun og afvötnunarvirkjun, að lokum fæst súrálduft með tiltölulega mikla hertuvirkni.
Yang Conglin o.fl. [17] notaði málm ál og kolalkóhól sem hráefni til að búa til há-hreint ál alkoxíð, og undirbúið vökvað súrál með alkoxíð vatnsrof, útilokaði lofttæmi eimingarferlið með miklar kröfur um búnað, og að lokum fékkst 5N-gæða há-gráða há-hreinleika duft með ofurfínu alciníndufti eða dufti með jafnfínum alcinum eða dufti. 99,999% og kornastærð 0,1 µm~0,3 µm. Súrálduftið sem er búið til með þessari aðferð hefur mikla hreinleika og undirbúningsferlið er einfalt með sterkum stjórnunarhæfni vörunnar.
2.2.3 Fastfasaaðferð
Fastfasaaðferðin er aðferð þar sem tveimur eða fleiri duftum er blandað saman og hvarfast beint við ákveðnu hitastigi og lofthjúpi til að mynda nanó-súrál.
Vélræn mulningaraðferð
Vélræna mulningaraðferðin notar ýmsar ofurfínar mulningar (há-kúlumyllur, plánetukúlumyllur, turnmyllur, þotumyllur osfrv.) til að mylja og mala hráefni beint í offínt duft. Þar á meðal eru há-kúlumyllur mikið notaðar. Þeir mylja súrálduft vélrænt í vatni eða alkóhólefni til að búa til há- ofurfínt súrálduft. Með titringi og snúningi kúlumyllunnar er orka veitt til hráefnanna, sem veldur því að hráefnin verða fyrir miklum áhrifum af hörðum boltum, mulin í fínar agnir eða virkjað til að gangast undir efnahvörf og þar með útbúið ofurfínt duft.
Sprengjuaðferð
Sprengjuaðferðina er einnig hægt að nota sem fasta-fasaaðferð til að útbúa súrálduft. Þessi aðferð framkvæmir brunahvörf inni í íláti með stöðugu-rúmmáli og myndar mikið magn af gasi. Þess vegna halda tafarlausa hvarfið oft áfram undir háum þrýstingi, bæla mettaðan gufuþrýsting hvarfefnanna og hækka fasaskiptihitastigið við venjulegan þrýsting, sem stuðlar að stöðugri myndun eins-metastass súrálsdufts. Sprengjuaðferðin hefur miklar kröfur um framleiðslutæki, erfiða framleiðsluferlisstýringu, lágt afrakstur og tiltölulega háan framleiðslukostnað.
Peng o.fl. [18] fékk mismunandi niðurstöður um sprengingar með því að stjórna pH gildi glýsín-álnítratkerfisins. Niðurstöðurnar sýndu að basískt umhverfi getur á áhrifaríkan hátt stjórnað kornastærð, minnkað hlutfall formlausra fasa og aukið tiltekið yfirborð, en mismikil þétting á sér stað í umhverfi með pH minna en eða jafnt og 6.
3
Samantekt
Hár-úrfínt súrálduft, vegna háþróaðra eðlis- og efnafræðilegra eiginleika þess, hefur aukið notkunarsviðsmynd súrálsdufts til muna og er lykilhráefni í nútíma háþróaðri framleiðslu. Sem stendur hafa helstu framleiðsluaðferðir há- ofurfíns súrálsdufts í Kína ókosti eins og flókna ferla, erfiða stjórn á tæknilegum aðstæðum, miklum kostnaði og alvarlegri mengun. Með stöðugri þróun hagkerfis Kína mun eftirspurnin eftir há-offínu súráli halda áfram að aukast og framtíðarkröfur um nákvæmni búnaðar, undirbúningsferli, stýritækni, orkusparnað og umhverfisvernd verða einnig sífellt meiri.