田 陽(yáng) 劉宇舟 王 東 張 亮 譚宏斌

(陜西理工學(xué)院材料學(xué)院 陜西漢中 723000)

氧化銅為助熔劑制備硼酸鋁晶須*

田 陽(yáng) 劉宇舟 王 東 張 亮 譚宏斌

(陜西理工學(xué)院材料學(xué)院 陜西漢中 723000)

利用H3BO3和Al(OH)3為原材料，CuO為助熔劑制備硼酸鋁9Al2O3·2B2O3晶須。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，試樣在1 350℃煅燒6 h，試樣的物相為硼酸鋁相。以CuO為助熔劑制備的硼酸鋁晶須，其直徑較均勻?yàn)?～5μm，長(zhǎng)度為10μm。

助熔劑 硼酸鋁 晶須 形貌

前言

晶須是一種高純度單晶生長(zhǎng)而成針狀纖維材料，一般是在人工控制條件下以單晶結(jié)構(gòu)形式生長(zhǎng)所得，其直徑比較小。在晶須結(jié)構(gòu)中，原子排列高度有序，缺陷含量比較少。晶須的強(qiáng)度比較高，是一種高性能的復(fù)合材料增強(qiáng)相［1］。常用的晶須材料有碳化硅和氮化硅晶須，但其價(jià)格比較貴，而硼酸鋁的價(jià)格便宜，其性能可以和碳化硅、氮化硅相媲美。

硼酸鋁晶須相對(duì)密度為2.93 kg/m3，熔點(diǎn)為1 440℃，耐熱溫度為1 200℃，莫氏硬度為7，具有較高的彈性模量，良好的機(jī)械強(qiáng)度，穩(wěn)定的化學(xué)性能、電絕緣性和中子吸收性能，其拉伸強(qiáng)度為7.84 GPa，拉伸彈性模量為392 GPa［2～3］。硼酸鋁晶須經(jīng)常作為特種工程塑料和鋁基輕合金的增強(qiáng)相，它在高溫過(guò)濾器，馬達(dá)軸承，航空、航天部件，各種耐火材料和防火涂層材料上具有廣泛的應(yīng)用前景［4］。

制備硼酸鋁晶須的方法有助熔劑法、氣相法、熔融法和液相生長(zhǎng)法等。在其制備方法中，助溶劑法工藝簡(jiǎn)單，是制備硼酸鋁晶須的常用方法。由于液相B2O3粘度較大，流動(dòng)性差，不利于9Al2O3·2B2O3晶須的生長(zhǎng)，添加助熔劑可降低B2O3液相粘度，提高液相流動(dòng)性，并促進(jìn)晶須的生長(zhǎng)［5～6］;添加助熔劑，可使試樣的最低共熔點(diǎn)和晶須的制備溫度降低，節(jié)約能源，降低成本。筆者用氧化銅作為助熔劑，來(lái)制備硼酸鋁晶須。

1 實(shí)驗(yàn)

將硫酸銅(分析純，北京晨光化學(xué)廠)在650℃煅燒3 h，得到氧化銅。取一定量硼酸(分析純，天津市化學(xué)試劑六廠)、氫氧化鋁(分析純，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠;硼酸與氫氧化鋁的摩爾比為4∶9)，再分別加入3%氧化銅后，混合均勻。

采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(WAW－300B型長(zhǎng)春智能儀器設(shè)備有限公司)將混合粉末壓制成(壓力為200 MPa)50 mm×20mm×20mm的試條，將試樣在1 350℃煅燒6 h，隨爐冷卻。將煅燒后的試樣，在沸水中煮8 h后，過(guò)濾、烘干，用XRD(DX2500型，丹東方圓儀器有限公司)分析其物相，用SEM(JSM－6390LV型，日本電子株式會(huì)社)觀察其形貌。

2 結(jié)果與討論

將Al(OH)3、H3BO3和CuO混合均勻，試樣在1 350℃煅燒6 h，用沸水洗滌后其XRD圖譜如圖1所示。

圖1 試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns specimen

從圖1可以看出，添加氧化銅的試樣，物相為9Al2O3·2B2O3。生成晶須的化學(xué)反應(yīng)為：

圖2 B2 O3－Al2 O3相圖Fig.2 Phase diagram of B2 O3－ Al2 O3 binary system

上述反應(yīng)的ΔH=176 kJ/mol，因此該反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，升高煅燒溫度有利于晶須的生成［7］。B2O3的熔點(diǎn)(445℃)較低，在晶須的生成過(guò)程中，容易揮發(fā)。因此，本實(shí)驗(yàn)中加入過(guò)量的B2O3、硼酸與氫氧化鋁的摩爾比為4∶9，將體系組分點(diǎn)選在AB段(Al2O3－B2O3相圖，見圖2)以抵消蒸發(fā)損失。

從圖2可以看出，9Al2O3·2B2O3晶須可在1 440℃以下生成，保溫結(jié)束后隨著溫度的降低，溶液過(guò)飽和，繼續(xù)析出晶須。當(dāng)溫度降至1 050℃時(shí)，反應(yīng)9Al2O3·2B2O3+L—→2Al2O3·B2O3發(fā)生，得到粒狀 2Al2O3·B2O3。在溫度接近1 050℃時(shí)，加快降溫速度，可減少2Al2O3·B2O3顆粒的生成［7］。

圖3 CuO為助熔劑的試樣SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of the CuO as fusing agent specimen

以CuO為助熔劑的試樣SEM照片如圖3所示。從圖3可以看出，硼酸鋁晶須的大小不均勻，晶須的直徑為1～51μm，其最大長(zhǎng)度為10μm。主要原因?yàn)椋築2O3的熔點(diǎn)為450℃，而CuO的熔點(diǎn)較低(1 026℃)，在較高的反應(yīng)溫度時(shí)，試樣體系中的液相粘度較低，液相較多，因此硼酸鋁晶須沿a軸與b軸生長(zhǎng)比較容易，其直徑較大。

3 結(jié)語(yǔ)

以CuO為助熔劑，在1 350℃煅燒6 h后，試樣的物相為硼酸鋁9Al2O3·2B2O3。以CuO為助熔劑制備的硼酸鋁晶須的直徑較均勻，為1～5μm，長(zhǎng)度為10μm。

1 戴靜，王敏，張金才.硼酸鹽晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用.化工礦物與加工，2005(10)：36 ～38

2 李武.硼酸鋁晶須的性質(zhì)、制備和開發(fā)前景.鹽湖研究，2000，18(3)：40 ～43

3 陳若愚，夏樹屏，高世揚(yáng).硼酸鋁晶須合成機(jī)理的研究.化學(xué)研究與應(yīng)用，2001，13(5)：513 ～516

4 陳若愚，王國(guó)平，劉小華.硼酸鋁晶須的制備和表征.化工礦物與加工，2002(8)：10～12

5 王湃，孫鐵軍.硼酸鋁晶須的應(yīng)用與制備.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2006，38(10)：16 ～17

6 Peng LM，LiX K，LiH，etal.Synthesis andmicrostructural characterization of aluminum borate whiskers.Ceramics International，2006，32：365～368

7 黃浩，鐘輝，彭時(shí)利.助熔劑法制備硼酸鋁晶須的方法與機(jī)理.礦產(chǎn)綜合利用，2009(1)：32 ～35

Preparation of Alum inum Borate by Using Copper Oxide as Fusing Agent

Tian Yang，Liu Yuzhou，Wang Dong，Zhang Liang，Tan Hongbin(School of Materials Science and Engineering，Shaanxi University of Technology，Shaanxi，Hanzhong，723000)

The aluminum borate(9Al2O3·2B2O3)whiskerswas prepared by using Al(OH)3and H3BO3as rawmaterials，CuO as fusing agent.The resulted indicated aluminum borate was obtained by sintering sample at 1 350 ℃ for 6 h.The aluminum borate whiskers were obtained with 1～5μm in diameter，10μm in length.

Fusing agent;Aluminum borate;Whiskers;Morphology

TQ174.75

A

1002－2872(2011)11－0020－02

田陽(yáng)(1991－)，本科，主要從事無(wú)機(jī)材料的研究。E－Mail：t－h(huán).b@163.com