超细氧化铝粉体形貌难以控制？不妨从这些角度试试
前言
超细粉体的粒径和形貌对它们的物理和化学性能有很大的影响，其形貌基本上决定了粉体的整体和表面特性。此外，粉体的结构形貌特征包括粉体的形状、化学组成、物料组成、内外表面积、体积和表面缺陷等，它们一起决定超细粉体的综合性能。
超细氧化铝粉体的结构形貌要求因用途而异，例如粒度细小、且形貌为球形的超细氧化铝粉体适合制备陶瓷材料；而片状超细氧化铝粉体是铝酸盐荧光粉的理想原料。因此在制备过程中，根据其应用需要进行粉体的结构形貌控制就具有十分重要的影响。
一
氧化铝粉体各种形貌结构及特点
目前，人们根据氧化铝粉体的形貌特点主要合成出了球形、中空球形、花状、立方形、板状、菱形、针状或纤维状等几种氧化铝粉体形貌。它们有以下几个特点：
1、球形Al2O3粉体可以作为多孔Al2O3的支撑体，由于形成的孔较规则，因此易于使支撑体整体均匀化。分散的α-Al2O3球形微粒具有良好的压制成型和烧结特性，有利于制得高质量的陶瓷制品。
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2、中空球形粉体的颗粒上有无数的小孔，具有较大的比表面积，而催化剂载体的一个很重要的要求就是要有大的比表面积，因此这种产品可以作为一种优良的催化剂载体。
喷雾干燥法作为制备中空球形氧化铝粉体的有效方法之一，近年来得到了越来越多的重视。在喷雾干燥的干燥塔中，一粒浆滴被喷枪喷出去，在一定高度落下来，这个过程中它被干燥了。由于高温，浆料表面迅速干燥，表面的粘合剂和微粉颗粒合在一起形成一硬壳，封闭了球体表面，而内部水分继续迅速气化，形成球内气压。当气压达到一定时，气体从薄弱处冲破球体爆出，使球体出现了一个空洞。由于表面硬壳的强度和球内气压大小不同，其爆出力也不同，所以轻微的形成了苹果状，严重的形成了空洞状和算珠状。
3、花状和立方形氧化铝粉体可以用作催化剂载体，并且在生物材料、复合材料或用作结构增强材料等方面具有重要的应用价值，所以无论是对其合成方法还是形貌生成机理的研究都值得进一步的探索。
4、板状的氧化铝粉体拥有二维平面结构，因此具有良好的附着力、显著的屏蔽效应以及反射光线的能力，同时具有耐酸碱性、耐高温、硬度高、熔点高、导热性高和电阻率高等诸多优良的性能。粒径较小、分散性良好的板状氧化铝粉体可以广泛应用于颜料、涂料、汽车面漆、荧光粉原料、化妆品、油墨及磨料等诸多领域。
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研究发现，板状氧化铝用作聚合物的填料时，可以增强其热导率。在聚合物中添加一定量的板状氧化铝，可以形成氧化铝网络，该网络能传过大部分热量。板状氧化铝的直径越大，形成网络的节点越少，导热效果越好。
另外，将氧化铝板晶作为第二相增韧剂加入到氧化铝陶瓷中，可以起到有效增加裂纹反射和桥联的作用，对提高陶瓷的断裂韧性有明显的效果，克服了一般氧化铝陶瓷机械性能较低而制约其更加广泛应用的不足。总之，板状氧化铝粉体有着广阔的应用前景。
5、菱形氧化铝产品可用作不锈钢抛光用氧化铝，其磨削率和出光率均好于原晶呈其它形状的产品，磨粒具有自锐性，因此可作为不锈钢抛光用氧化铝。
6、氧化铝纤维作为高性能无机纤维，具有良好的耐高温、耐磨和抗氧化性能，同时还具有热导率低、热膨胀系数小、抗震性能好、高模量、高塑性、高韧性、高强度、高绝缘性和高介电常数等突出优点，因而广泛应用于绝缘材料、纤维防护、增强材料等。
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二
氧化铝粉体的微观形貌控制
对于超细粉体的制备，粉体的高性能是生产的经济效益所在。粒子的显微结构特性直接决定了其最终产品的应用性能，粒子的微观形貌控制显得尤为重要。实现对粉体形貌的控制是一项复杂的工艺，涉及到固体化学、界面反应及动力学等多领域学科。
从本质上讲，控制纳米粒子的形貌就是控制晶体生长的动力学。因为晶体的形态取决于不同晶相面的生长速率，而晶体某一表面的生长程度一方面受晶体结构和晶体缺陷控制，另一方面也受周围环境条件的控制。因此可以从两个角度出发对纳米粉体进行形貌控制。
如果在晶体的形成过程中，添加一些能选择性作用于微晶表面的表面改性剂，就可以调节晶体不同晶轴上的生长速率，从而达到控制纳米粒子形貌的目的。同时，还可以通过改变结晶过程中周围环境条件的诸多因素，如溶液的pH值、温度、离子强度、溶剂或有机添加剂、反应物配比等，以达到控制纳米粒子形貌的目的。
01
添加剂对粉体微观结构的影响
Al2O3的微观结构特别是晶粒的形貌对Al2O3陶瓷的性能有很大的影响。所以寻求新的添加剂来改善Al2O3晶粒的形貌一直是人们研究的目标之一。合适的添加剂不仅影响着颗粒的形貌和大小，同时还能够促进氧化铝的α相转化，但不同添加剂的作用明显不同。添加剂产生的影响主要归结为生长晶面对添加剂的吸附作用，从而导致了晶体生长速率的变化，而最终反映到晶体形态上；其次是添加剂在溶液中活跃的程度。目前，添加剂对粉体微观结构的影响作用机理研究还一直停留在初级阶段，缺乏较为深入的研究。
02
水解和凝胶工艺对粉体微观结构的影响
在液态沉淀过程中影响粒子形貌的因素包括过饱和度、流体动力、反应时间等。在溶液中，晶体生长率最小的惯习面决定了晶体生长的形貌。溶剂与沉淀物的相互作用决定了最低能量面，并且晶粒生长的动力条件对影响晶体形貌的惯习面生长产生作用。
在水解过程和凝胶过程中温度的控制将会影响粉体的形貌。当反应温度较高时，成核速度和生长速度都相应增快。晶体经常发育成细长的柱状、针状和鳞片状的集合体，有时甚至生长成具有特殊形状的骸晶，这是由于晶体在极不平衡的状态下生长，晶体的界面上具有较大的表面能，自身亦不稳定，结果沿着某些晶棱或顶角方向生长而成骸晶。如果晶体在近于平衡状态下生长，生长速度比较缓慢，一般情况下都可以使晶体获得比较完整的结晶多面体。
Al2O3的各向异性表现在C轴上的生长速率变化远大于其余两个坐标轴。也就是说当温度较高、整体生长速率较大时，C轴上的生长速率较整体生长速率更大，这时容易形成棒状、针状的粒子；当进行冰水浴，整体生长速率较小时，C轴上的生长速率与整体生长速率相差不大，这时容易形成球形的颗粒。
在Al2O3纳米晶粒的生长过程中，当对得到的胶体进行长时间较高温度的凝胶时，较高的温度有助于Al2O3纳米颗粒的微观热运动，加之尺寸极小的Al2O3纳米粒子的表面能非常高，通过较长的反应时间有利于其纳米微晶的重新取向、排列。结果便是很多球形的Al2O3纳米粒子相互靠近，在某个统一的晶面上结合、排列，最终形成较大的片状结构。
03
干燥方法对粉体微观结构的影响
根据科研人员的研究表明，使用相同的原料、表面活性剂和制备方法，而干燥方法不同时，所得到的氧化铝粉体的形貌大不一样。采用室温自然干燥时，溶剂从表面慢慢的蒸发，使各颗粒有充分的时间相互接触，通过表面活性剂的作用使各粒子交联起来，由于是静止的干燥，就形成了片状的结晶或堆积体。
采用自制的简易喷雾装置干燥时，将溶胶的稀释液喷成细小的小液滴，小液滴在下落的过程中干燥，表面进行收缩，但是在此过程中并没有将样品完全干燥，在样品到达接料皿后，继续蒸发表面的溶剂，由于存在表面活性剂，在溶剂蒸发时，表面活性剂将氢氧化铝交链在一起，形成长链，表面溶剂蒸发完全后，借助表面活性剂的作用就形成了长条形的氢氧化铝。但是也会有部分不能交链，就形成了类液滴形状的圆球形。
04
煅烧工艺对粉体微观结构的影响
（1）温度的影响
在不同的温度下煅烧，可以得到不同形貌的粉体。研究人员在制备纳米纤维状Al2O3粉体时，经500℃煅烧后的粉体的微观结构为微张的纤维网状；当煅烧温度升至1200℃时，试样不再呈现纤维状，而转变为球形。这是由于纤维状物体的表面能较高，随着温度的升高，它将向能够降低表面能的球体过渡。
（2）操作制度的影响
操作制度也影响着Al2O3粉体的形貌和粒度。根据相关文献报道：煅烧工艺中加入晶种或氧化铝胶体是降低氧化铝α相变温度的最常用、有效的方法。所选用的晶种除α-Al2O3外，还可以是α-Fe2O3、α-Cr2O3及MgO等，它们具有与α-Al2O3相同或相似的晶体结构，否则对α相变没有影响或影响甚微。
三
展望
由于粉体尺寸和形貌等因素对材料特性及其应用具有重要影响，因此对无机材料的结构控制研究已引起人们的极大兴趣。目前，纳米氧化铝制备过程中仍存在着晶型、大小和形貌难以控制等问题，制约着纳米氧化铝的应用及发展。实现对材料微观结构控制不仅要求充分发挥材料的本征性质，还需要通过对无机材料的尺寸和形貌控制来对其性质进行调整。纳米氧化铝的制备技术及粉体的微观结构控制在众多科研工作者的努力下预计不久将会产生新的突破，从而使其在工业生产及许多高科技尖端行业中开辟出更加广阔的应用前景。