纳米纤维微结构铝矾土基硼酸铝陶瓷晶须发生负热膨胀 学习翻译

纳米纤维微结构铝矾土基硼酸铝陶瓷晶须发生负热膨胀 学习翻译

SAYED H. KENAWY和ESMAT M.A. HAMZAWY

以铝土矿[铝(OH)3为原料，硼酸为原料，合成了晶须状微结构陶瓷。化学计量的(Al18B4O33)和非化学计量的组合物分别通过陶瓷途径或固体反应方法制备。建议的组成设计产生两种晶相:硼酸铝(Al20B4O36)和α-刚玉(Al2O3)。B2O3/Al2O3比的增加导致硼酸铝相而不是α-刚玉相的形成；然而，一般来说，比值的增加对应于α-刚玉相的增加。所研究的微结构被表征为互锁的线状和纤维状晶体，它们形成须状纹理。烧结样品的密度在3.2340和2.7474克/立方厘米之间，通常密度随着硼酸铝相的增加而降低。热膨胀系数

范围从3.73到3.79 9 10/℃(20℃到500℃)，这表明陶瓷的优异物理性能。

https://doi.org/10.1007/s11661-018-4739-4

矿物、金属和材料学会和美国机械学会国际2018

I .导言

显然，大多数合成陶瓷和玻璃铈-

用微观结构和结晶度评价ramic复合材料。基于原料的晶须状纳米结构陶瓷由于其优异的物理性能，如高强度和耐热性，具有许多应用领域。然而，微观结构是合成材料(即陶瓷、玻璃陶瓷和复合材料)中最重要的特征，微观结构可以用来评价材料。研究材料微观结构中的颗粒尺寸

可能在宏- (10毫米)、微-(10毫米)、纳米-

(10纳米)或毫微微级(10微米)。此外，颗粒微观结构的结晶度对材料的性能起着重要作用。结晶度可以是圆形、球形、针状等。；然而，晶须微结构，例如互锁纤维、针或棒，产生高强度材料。

赛义德·肯纳维是埃及开罗12622国家研究中心耐火材料、陶瓷和建筑材料部门的成员。埃及开罗，12622，国家研究中心玻璃研究部。联系电子邮件:ehamzawy9@gmail.com

手稿于2017年9月7日提交。文章于2018年6月18日在线发表

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一些合成物质或化合物的另一个特征是热膨胀系数低或为负(CTE)。如果我们观察合成材料，我们发现一些众所周知的矿物，如石英玻璃(二氧化硅，5.0-9.10，25-1000℃)。

锂辉石玻璃陶瓷(LiAlSi2O6，9.0 9 10/℃, 25℃至1000℃)，b-锂霞石(LiAlSiO4，

62.0 9 10/℃, 25℃至1000℃)，堇青石(Mg2Al4-

Si5O18，14.0 9 10/°C，25°C至1000°C)，单celsian

(BaAl2 Si2O8，23.0 9 10/°C，25°C至1000°C)，以及

钙长石陶瓷(CaAl2Si2O8，52.0 9 10/℃, 25℃至

1000℃)，具有低或超低的临界温度。[]一些二元碱土硼酸盐玻璃，如氧化钙-B2O3

(56.4 9 10/°C)、SrO-B2 O3(57.9 9 10/°C)和

BaO-B2 O3(65.9±9±10℃)，CTE低。[]然而，有些陶瓷坯体是由生的

材料，如堇青石(Mg2Al4Si5O18，4.0 9 10/℃, 25℃至1000℃)和莫来石(Al6Si2O13，50至

54 9 10摄氏度)，具有非常低的临界温度。[]在三元Al2O3-SiO2-B2O3体系中

施赖尔·[]预测了顶点由3∶2形成的硼莫来石相的合成，而2∶1莫来石

莫来石型结构的al2o 3 B9被用来

产生方解石型结构氧化铝。[]通过铝硼酸盐相，通过陶瓷途径制备了晶须状微结构，用于块状或烧结玻璃陶瓷和复合材料。通过使用BI3/H3BO3蒸气和氩气前体在750℃至1000℃范围内的铝膜衬底上蒸发沉积路线，在蓝宝石衬底上合成纳米线和纳米管

覆盖有镍粉、铂粉和铝膜。[]通过铝硼硅酸盐玻璃的结晶或通过添加

硼酸铝前体粉末制成玻璃料。[]上述研究假设采用挤压铸造技术来制造Al18B4O33 w/MB15和Al18B4O33 w/MB8的复合材料，并且在存在

表一.制备样品的化学成分

样本号

化学成分(Wt Pct)

添加

铝土矿中的氧化物

B2O3 Al2O3二氧化钛二氧化硅

化学计算的

al 18 B3 o 31.5 AbST 11.13 73.35 3.14 12.38

有系统的

abse 5 4.99(5厘)78.19 3.63 13.19

ABS 10 9.51(10厘)74.47 3.45 12.57

ABsy15 13.61 (15厘)71.09 3.30 12.00

abs20 17.37(20厘)68.00 3.16 11.47

abs25 20.81(25厘)65.17 3.02 11.00

图1——在1500℃/1小时下AbS 5-AbS 25烧结陶瓷样品的x光衍射分析

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镁基质。此外，硼酸铝晶须(9Al2O3? 2B2O3)是用莫来石粉末的混合物通过模板晶粒生长制备的。用氢氧化铝和硼酸与氧化镍添加剂的原位混合物，通过在1150℃以上烧制来制备具有硼酸铝晶须骨架结构的多孔陶瓷。[]通过异丙醇铝和H3BO3之间的反应来制备致密的Al4B2O9/Al18B4O33相

异丙醇溶液。[]从铝(NO3)3℃9H2O和CaB6开始，在1500℃的烧结温度下用

湿法纳米织构。[]

图2——AbST烧结陶瓷样品在1500℃/1小时下的x光衍射分析

图3——在(a)1200℃和(b)1400℃烧结的化学计量ABst陶瓷样品的扫描电镜显微照片

用x光衍射和扫描电镜/能量分散x光显微分析对相进行了表征。此外，还测量了密度和CTE。

二.实验和方法

本工程的原料为铝土矿原料(二氧化硅:13.32%；al2o 3:79.13%，二氧化钛:3.59%；fe2o 3:2.83%。Na2O+K2O:

0.40%，CaO+MgO:0.24%。氧化锆:0.11%，P2O 5:0.16%)和商用硼酸(H3BO3)。本工作基于铝硼酸盐相制备的两个趋势:(1)化学计量的Al18B4O33 (9Al2O3 = 93.80重量%和2B2O3 = 6.20重量%)相和(2)在100克铝土矿上系统顺序加入B2O3(5、10、15、20和25克)(表1)。将混合后的样品进行良好的研磨和混合(粒度< 0.053毫米)，然后使用聚乙烯醇(溶液中7%)作为粘合剂，在20 KN单轴压力下浇铸成圆盘。

图4-在1500℃/1小时[(a) ABsy5，(b) ABsy15和(c) ABsy25]和1500℃/3小时[(d) ABsy5，(e) ABsy15和(f) ABsy25)烧结的ABsy陶瓷样品的扫描电镜显微照片。

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将制备的铸造圆盘在1000℃至1500℃的温度范围内进行烧制过程。为了在烧制过程之后鉴定晶相，使用了x光衍射分析(XRD，x光衍射仪型号布鲁克was，

图5——在1500℃/1小时下烧结的系统(a) ABsy5和(b) ABsy25陶瓷样品的EDX显微分析

德国D8ADVANCE)。微晶结构用扫描电镜和能谱仪(扫描电镜/EDX扫描电镜模型量子250，荷兰)进行了检测。

烧结样品的密度用气体比重法测量。样品的重量首先通过数字天平(4位数)测量。气体比重计测量样品的实际体积并计算真实密度(Quantachrome Instruments，Upyc 1200e V5.03，美国)。使用膨胀计(NETZSCH DIL 402，Ger-many)以5℃/分钟的加热速率测量了一些尺寸为2 9 2 9 20毫米的烧结样品的CTE。

三.结果和讨论

A.样品的表征

对在1500℃/1小时下烧结的研究样品的XRD分析显示了硼化铝(Al2O3，ICDD-PDF 83-2080)和硼酸铝(al2o 4 b4o 36，ICDD-PDF 80-2301)的结晶。刚玉是低硼样品ABsy5、ABsy10和ABsy15的主要相，而硼酸铝是ABsy20和ABsy25样品的主要相(图1)。化学计量的ABst样品具有与ABsy10样品相似的图案，主相刚玉也是用硼酸铝形成的(图2)。

根据最新的烧结结果，Al2O3/ B2O3比率显然在刚玉和硼酸铝的结晶中起重要作用，而该比率的降低可能导致晶须棒的尺寸减小到纳米级。实际上，硼酸

表二。ABsy5和abs25复合材料样品中纤维的EDX显微分析

元素

Al2O3 Al20B4O36

计算(重量百分比)

重量百分比的EDX微量分析

计算值(Wt Pct)

重量百分比的EDX微量分析

ABsy5 ABsy25

O 49.02 52.47 49.7 54.85

Al 54.98 36.19 46.57 35.81

b——3.97

Si — 8.67 — 3.60

Ti — 1.48 — 0.85

Fe 1.17-0.91

表三。CTE和制备样品的密度

样本号

财产

密度(g/cmat 1500℃)

CTE

9 10摄氏度1500摄氏度3小时

1小时3小时20℃至500℃

ABst 3.305

ABsy5 3.2340 2.9902 1.61

ABsy15 2.9244 3.1515 3.73

ABsy25 2.7474 2.9079 3.79

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酸(H3BO3)在600到800℃之间分解，然后可以与铝土矿中的铝反应形成硼酸铝相。然而，过量的氧化铝可以被改性并形成热力学稳定的刚玉或三角α-al2o 3。在目前的工作中，α-al2o 3和Al18B4O33通过al2o 3-B2 O3-二氧化硅体系在二元Al2O3 (75摩尔百分比)-B2O3 (25摩尔百分比)中制备，并且两相在1200℃/5小时和1400℃/5小时之间稳定；然而，在长时间内(1400℃/90小时)，硼酸盐相和Al18B4O33都分解并

消失了。[]

一般来说，图1中的XRD图显示硼比率的增加表明硼酸铝相(Al20B4O36)的峰很强，刚玉相(Al2O3)的峰减小。在化学计量公式的图2中，前两个相都显示为高强度的x光图形。

在1200或1400℃烧结的ABst样品的扫描电镜显微照片显示纳米线、纳米纤维和纳米棒的生长。尺寸在30至200纳米之间的互锁纳米线和纳米纤维在1200℃下形成，而在1400℃下，形成80至450纳米之间的互锁棒状晶体(图3)。ABsy5、ABsy15和ABsy25样品在1500℃烧结1小时或3小时的扫描电镜显微照片也显示互锁的晶体(图4)。ABsy5样品中形成了宽度为1至3 lm的互锁棒或板条，ABsy15中硼的增加促进了纳米棒的形成以及后来的微棒或板条。ABsy25样品中的高硼含量显示了棒和一些板条的纳米和微观结构(图4)。

在1500℃/1小时烧结的ABsy5和ABsy25陶瓷样品的EDX显微分析如图5和表2所示。微量分析表明，在刚玉(Al2O3)或硼酸铝(Al20B4O36)相结构中可能掺入铁、钛和硅。ABsy5样品显示刚玉是主要相；纤维的EDX微量分析没有检测到任何硼，而硼和主要的硼酸铝在ABsy25中检测到。

一般来说，关于微观结构，无论是ABst还是含硼量较高的ABsy25样品中的纳米线和纳米棒都是可见的。此外，1500℃烧结时间从1小时增加到3小时会导致晶体生长增加(图4对比了样品)。

B.样本的属性

烧结样品在1500℃的密度在3.2340和2.7474克/立方厘米之间(表三)。一般来说，B2O3的顺序加入会导致密度降低。样品在1500℃处理的CTE

3小时的数值在31.01和6.55-9.10℃之间。预先记录的硼酸铝密度

晶须(9Al2O3? 2B2O3，Al8Si2B2O9)为2.94克/立方厘米[]；

然而，密度的变化可能是由于硼酸铝相的比例。出乎意料的是，CTE非常低，可能是一个负值，范围从

在1500℃/3小时处理的样品中，温度为3.73至3.79±10℃(20℃至500℃(表三)。硼酸铝相的CTE记录数据很少；然而，预先记录的刚玉CTE是

此外，铝-氨基硼酸盐相的CTE数据并不常见，但是硼掺杂莫来石中的工作导致CTE的减少

约16%。[]al8si 2 B2 o 9相的晶体系统尚不清楚(正交的，像莫来石，或

单斜晶系，如硼硅沸石和Al4B2O9)，[)和缺乏透明度归因于硼和碳的减少

轴，对应于a轴的伸长。[]

四.结论

硼酸铝(Al20B4O36)和刚玉(a-Al2O3)是由铝土矿和工业硼酸通过陶瓷路线制备的。纳米线和纳米纤维在高硼样品和化学计量铝硼酸盐(Al18B4O33)化合物中形成须状微结构。然而，在低非化学计量的陶瓷样品中也开发了微棒。低CTE值

在陶瓷样品中从3.79℃到3.73℃变化。一般来说

随着硼酸盐比例的增加，陶瓷样品从3.234克/厘米下降到2.7474克/厘米。