Влияние термической обработки на фазовый состав и морфологию нанодисперсного порошка оксида алюминия Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.762

Е. В. Петрова, А. Ф. Дресвянников ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МОРФОЛОГИЮ НАНОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

Ключевые слова: наночастицы; гидроксид и оксид алюминия; электрохимический способ; термические

превращения.

Методами рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии исследовано влияние термической обработки на фазовый состав, морфологию и размеры нанодисперсных порошков оксида алюминия, полученных электрохимическим методом.

Keywords: nanoparticles; alumina hydroxide and oxide; electrochemical method; thermal transformations.

The phase structu^, morphology and dimensions of alumina nanoparticles, synthesized by electrochemical method after the thermal treatment have been investigated with the using of X-ray diffraction and scanning electron microscopy.

Нанодисперсный порошок оксида алюминия широко используется в современной промышленности для получения композиционных керамических материалов с улучшенными характеристиками. Требования к таким объектам постоянно растут, поэтому разработка приемов регулирования структурно-текстурных параметров прекурсора (порошков оксида алюминия), может быть востребована при создании новых функциональных материалов со специальными свойствами [1-3].

Существует множество различных методов получения наноразмерных оксидов алюминия, однако одним из наиболее перспективных является электрохимический способ, позволяющий за счет регулирования параметров электрохимического процесса получать наночастицы с узким диапазоном размеров, управлять их морфологией и фазовым составом [4].

Целью данной работы является изучение влияния условий термической обработки на морфологию и фазовый состав нанопорошков оксида алюминия, полученного электрохимическим способом.

Экспериментальная часть

В качестве исходного материала использовали порошок оксида алюминия, полученный электрохимическим методом [4].

Рентгенографический анализ прекурсоров проводили методом порошковой дифрактометрии на приборе D8 ADVANCE (фирма Bruker) с использованием монохроматизированного CuKa-излучения в режиме шагового сканирования (шаг сканирования - 20=0,05°, время экспозиции в точке - 1 с). Идентификация кристаллических фаз осуществлялась путем сопоставления полученных экспериментальных значений межплоскостных расстояний и относительных интенсивностей с эталонными.

Термические исследования проводили с использованием синхронного термоанализатора STA 409 PC Luxx (нагрев образцов осуществлялся в интервале температур от 298 до 1273 К при скорости 10 К/мин).

Размер частиц в синтезированных образцах определяли методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с использованием микроскопа-микроанализатора ЭММА-4. Исследование морфологии полученных порошков проводили с использованием электронного сканирующего микроскопа EVEX Mini SEM SX-3000.

Обсуждение результатов

Результаты исследований фазового состава гидроксида алюминия и оксида алюминия, полученных в результате термической обработки при различной температуре представлены на рис. 1.

ч 111111111111111111 ч 1111111111111 11111 1111111 м''11111111111111111 11 'Т11 ■'

10 20 30 40 50 60 70 80

Рис. 1 - Дифрактограммы нанодисперсного порошка оксида алюминия (1 - высушенный при 100 0С; 2 - прокаленный при 550 0С; 3 - прокаленный при 1100 0С)

Полученный гидроксид представлен фазами бемита и байерита с общей формулой Л120з х пН20 (согласно данным термических исследований содержание воды варьирует в пределах 0,018 - 0,030 моль/г). Дегидратация гидроксида алюминия сопровождается образованием оксидов, состоящих из первичных кристаллов высокой степени дисперсности. Эти первичные частицы плотно упакованы в агрегаты, сохраняющие форму исходного гидроксида. Природа получаемого при прокаливании продукта определяется природой исходного гидроксида и условиями прокаливания. Цепочки превращений различных гидроксидов алюминия в оксиды согласно данным работ [5-6] можно представить в следующем виде:

бемит, псевдобемит 4250 с > у----5750^ 3----в-+а а- Л^0з

байерит 2050с > п 8£5°£> в 1 1750с > а- Л^0з

После обработки гидроксида алюминия при 550 0С на дифрактограмме образца наблюдались четко выраженные рефлексы, характерные для Ц- и у-Л!203 (рис. 1 кривая 2), что не противоречит литературным данным. Дальнейшее увеличение температуры термообработки приводит к формированию хорошо окристаллизованного а-Л!203. Микрофотография термообработанного (1000С) порошка оксида алюминия представлена на рис.2.

Образцы оксида алюминия, полученные электрохимическим способом, представлены высокодисперсными частицами размерами 50 - 200 нм, склонных к агломерации, на фоне которых четко просматриваются агрегаты размером > 1-2 мкм.

Таким образом, в результате проделанной работы были исследованы фазовые превращения гидроксида алюминия, полученного электрохимическим методом. Установлено, что нанодисперсный порошок гидроксида алюминия высушенный при 1 00 0С представлен двухфазной системой на основе байерита и бемита, которые при дальнейшей термической обработке до температуры 550 0С переходят в высокодисперсный /-Л!203. Дальнейшее увеличение температуры до 1100 0С способствует образованию устойчивой фазы аг-оксида алюминия.

Рис. 2 - Микрофотография порошка оксида алюминия

Работа проводилась в рамках выполнения госконтракта №02.740.11.0130 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки композиционных керамических материалов для машино-, авиостроения, химической промышленности и стройиндустрии», и частично в рамках выполнения госконтракта №16.740.11.0643 «Разработка составов композиционных керамических

материалов на основе наноразмерных оксидов алюминия, цинка и металлов триады железа».

Литература

1. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2007. -416 с.

2. Huang, S. Pulsed electric current sintering and characterization of ultrafine Al2O3-WC composites / S. Huang, K. Vanmeensel, O. Van der Biest, J. Vleugels // Materials Science and Engineering. - 2010. - V.527. - № 3. - P.584-589.

3. Hannink, R.H.J. Nanostrukture control of materials/ Hannink R.H.J., Hill A.J.. Woodhead Publishing Limited. - 2006. - 488 p.

4. Петрова, Е.В. Физико-химические свойства наночастиц гидроксидов и оксидов алюминия, полученных электрохимическим способом / Е.В. Петрова, А.Ф. Дресвянников, М.А. Цыганова, А.М. Губайдуллина,

B.В. Власов / Вестник Казанского технологического университета. - Казань.: «Отечество», 2008. № 5 . -

C.302-310.

5. Дресвянников, А.Ф. Морфология и фазовый состав наноразмерных частиц гидроксида и оксида алюминия, полученных электрохимическим способом / А.Ф. Дресвянников, Е.В. Петрова, М.А. Цыганова // Журнал физической химии. - 2010. - Т.84, №4. - С.727-732.

© Е. В. Петрова - канд. хим. наук, доц. кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, [email protected].