納米陶瓷具有大量的晶界，在應力作用下，會產生晶界滑移，有望在相對低的溫度下具有大的塑性。通過晶界滑移，能極大消耗應變能，所以納米陶瓷還具有較大的韌性。氧化鋁是工業界應用最多的一種陶瓷材料，所以制備出氧化鋁納米陶瓷在工業上有很大的意義。

制備納米氧化鋁陶瓷主要從兩個方面出發首先：是制備出團聚少或者無團聚的，具有較高燒結活性的納米氧化鋁粉體，用分散性好，甚至單分散的納米粉體所制備的陶瓷坯體，氣孔分布均勻，易于實現低溫致密化而不發生晶粒的嚴重長大。其次是改變傳統燒結工藝，除了使用性能良好的納米粉，可供選擇的途徑還有選擇適當的添加劑和采用新型的燒結方法等，其主要機制是升溫快、高溫時間短和抑制晶粒的長大。由于氧化鋁需要在較高的溫度下才能燒結，而氧化鋁的晶界能很高，極易導致晶粒的異常長大，因此在燒結過程中如何控制晶粒的生長很關鍵。

左亞球狀α氧化鋁的電鏡圖片，D=200nm；右球狀的γ氧化鋁的TEM照片D=8nm

，產品圖片來源：連連化學

下面將為大家介紹目前常用的納米氧化鋁粉體的制備方法及燒結手段。

一、納米氧化鋁粉體的制備

目前納米粉體的合成已取得很大的發展，出現了大量的新工藝，其制備方法主要以溶膠-凝膠法、沉淀法、微乳液法和爆炸法為主。下文將以如上幾個方法為線索，對納米氧化鋁相應的制備工藝做簡介。

1、溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法制備納米氧化鋁粉體的基本原理是將前驅物(無機鹽、金屬醇鹽或其他有機化合物)溶解于某種溶劑中，在一定溫度和酸度下與水發生反應，經水解和縮聚過程而形成均一穩定的溶膠，然后經過陳化轉變為凝膠，凝膠在真空狀態下低溫干燥，可得到氫氧化鋁的超細粉，再經高溫煅燒處理，即可得到納米氧化鋁粉末。

溶膠-凝膠法是目前在氧化物納米粉制備中研究和應用較多的一種方法，作為一種濕化學合成方法，具有設備簡單，工藝易于控制，粉體純度和均勻度高，成本低等優點。

熱處理很關鍵：在2017年粉體圈氧化鋁專題會議上，連連化學的報告“熱處理過程對溶膠-凝膠法納米氧化鋁顆粒形貌和晶相的影響”中提及熱處理溫度對氧化鋁晶型及晶粒的影響，有提到想要獲得全部γ-Al₂O₃氧化鋁相，熱處理溫度必須控制在900℃；要想獲得θ-Al₂O₃，熱處理溫度必須控制在900℃-1000℃；要想獲得α-Al₂O₃，熱處理溫度必須控制在1000℃以上；晶粒的大小也可以通過熱處理溫度來控制。

2、沉淀法

沉淀法是在溶液中加入適當的沉淀劑得到陶瓷前驅體的沉淀，再經過濾、洗滌、干燥、煅燒等工藝，得到納米陶瓷粉末。沉淀法操作簡單、工藝流程短、成本低，但制備過程中影響因素較多，如溶液的組成、濃度、溫度和時間等，且不易形成分散粒子。為了解決制粉過程中形成的硬團聚，研究人員將超聲波與沉淀法相結合，制得了平均粒徑為12nm的氧化鋁超細粉末。

選用不同的沉淀劑會得到不同粒徑的納米粉體。研究人員以Al(NO₃)₃為原料，(NH4)₂CO₃為沉淀劑，得到粒徑為40~50nm的氧化鋁粉體；而以等同樣以Al(NO₃)₃為原料，但沉淀劑改為NH₄HCO₃，得到納米氧化鋁粉體粒度均勻、分散良好，平均粒徑為20nm。

3、微乳液法

微乳液法是使互不相溶的兩種溶液中的一種以微小液滴(水相)的形式分散于另一相中形成乳狀液(W/O型)，然后用乳狀液中的水相作為氧化物或氫氧化物微粒生成的微反應器，發生沉淀反應，產生的微粒經洗滌、干燥、煅燒得到納米氧化鋁粉。整個過程一般包括微乳液體系的制備，氫氧化鋁凝膠的制備，以及這兩種體系混合后利用超聲波振蕩分散成均勻透明的微乳液，然后調pH值直至生成含水納米氧化鋁沉淀。

微乳液法得到的粒子粒徑小、分布均勻、穩定性高、重復性好，但由于產品粒子過細，固液分離難進行，抽濾和離心效果不好。

4、爆炸法

爆炸法作為一種新的物理作用手段被引入了納米氧化鋁粉體的制備，它是將前驅物與炸藥混和，經過引爆，利用爆炸過程中產生的高能量合成納米氧化鋁粉。

非常規的爆炸法與常規制取納米氧化鋁的方法相比，具有工藝過程簡單，易于操作，實驗的器材、原料都十分簡單，設備及生產成本相對低廉，合成反應速度快和易放大產量，易于實現工業化生產的優點，因此，越來越多的研究者開始利用該方法來制取納米材料。

二、納米氧化鋁陶瓷的燒結

以下介紹了納米氧化鋁的燒結方法，這些方法都是通過采用新的加熱或加壓方式，達到促進致密化、控制晶粒生長的目的。

1、熱壓燒結

熱壓燒結是在高溫下加熱粉體的同時施加單向軸應力，使燒結體的致密化主要依靠外加壓力作用下而完成物質的遷移。

熱壓燒結可分為真空熱壓燒結、氣氛熱壓燒結和連續熱壓燒結等。熱壓燒結與常壓燒結相比，燒結溫度低得多。就氧化鋁而言，常壓下的普通燒結，必須燒至1800℃，而熱壓(20MPa)只需燒至1500℃左右。另外，由于在較低的溫度下燒結，就抑制了晶粒的生長，所得到的燒結體致密、晶粒較細、氣孔率低、強度較高。

2、鍛壓燒結

鍛壓燒結是一種與熱壓燒結相似的燒結方法。和熱壓燒結一樣，鍛壓燒結也是在加熱粉體的同時施加一定的壓力，不同的是鍛壓燒結中樣品先要成型，而燒結中不使用模具限制樣品的徑向形變。由于沒有模具的受壓限制，鍛壓燒結可以在比熱壓燒結高得多的壓力下進行，且燒結溫度可以更低。

3、熱等靜壓燒結

熱等靜壓燒結是對坯體加熱同時對其施加各向均衡的氣體壓力，可在較低的溫度下制備出微觀結構均勻、晶粒較細且完全致密的材料，并且可以獲得復雜形狀的物件。但熱等靜壓燒結需要對素坯進行包封或者預燒結，壓力條件比較苛刻，因此實際應用操作比較困難。

4、微波燒結

在微波燒結時，材料將吸收的微波能轉化為內部分子的動能和勢能，使粒子的動能增加，燒結活化能降低，擴散系數提高，從而促進材料的致密化過程，因此晶粒還來不及長大就已經被燒結致密化，這對于抑制晶粒的長大是很有效的。

相比之下，傳統燒結時熱量是通過對流、傳導和輻射傳遞的，熱量是由外到內，達到完全致密化的時間長，所以很容易導致晶粒的長大。運用微波燒結工藝可以在比常規燒結溫度低100~150℃，僅用10~15min即可燒結獲得納米氧化鋁陶瓷，且相對密度達到99%。

5、放電等離子燒結

放電等離子燒結（SPARK PLASMA SINTERING， SPS）是一種粉末快速固結的新型技術。SPS通過瞬時產生的放電等離子使燒結體內部每個顆粒均勻地自身發熱和使顆粒表面活化，升溫、降溫速率快，保溫時間短，因而具有非常高的熱效率，在較低的溫度和比較短的時間就可以得到高質量的燒結體。

SPS爐子的基本硬件結構圖

SPS最大程度的縮短了實驗時間及能耗，同時又完美的保持了材料的微納結構,所得的燒結樣品晶粒均勻、致密度高、力學性能好，因此自誕生以來，迅速成為了科學研究、新材料研發、產業生產等多個領域的重要利器。

Thermal Technology's SPS system at the University of Arizona

亞利桑那大學的SPS熱工系統

參考文獻：

1、納米氧化鋁陶瓷制備的研究；上海工程技術大學材料工程學院；何佳，李芳等著

編輯：Alpha