擬薄水鋁石-二氧化錫納米微米復合材料的膠態(tài)加工技術.pdf

1、針對鋁工業(yè)陽極以及高性能電池電極材料制備技術中的關鍵問題，研究一種擬薄水鋁石/二氧化錫納/微米多尺度體系復合材料的膠態(tài)加工成型技術，即，以擬薄水鋁石水溶膠分散SnO2微米顆粒，借助納米擬薄水鋁石膠粒的高比表面積、清潔和傳質推動作用來改善SnO2顆粒的分散、燒結和成型能力，以實現(xiàn)難燒結致密化陶瓷的厚膜和塊體材料的低成本、無污染、易規(guī)?；闹苽渑c加工。實驗研究了穩(wěn)定的擬薄水鋁石水溶膠的制備、SnO2微米顆粒在擬薄水鋁石水溶膠中的穩(wěn)定分散、碳

2、基底上涂層的制備和塊體材料的模壓成型與燒結。重點分析了材料制備過程中納米擬薄水鋁石膠粒與微米SnO2顆粒的相互作用及其物理化學機制。 用HNO3直接膠溶工業(yè)擬薄水鋁石粉體制備得到穩(wěn)定的擬薄水鋁石的水溶膠。酸分散指數(shù)的測定表明當nH+/nAlOOH·nH2O=0.097時，擬薄水鋁石可以完全膠溶，穩(wěn)定水溶膠的pH值為3.4；根據(jù)DLVO模型計算的位能勢壘為6.31×10-18J；TEM觀察溶膠的膠粒為5-10nm，且部分粒子相互網

3、聯(lián)。通過膠溶過程中電導率的測定、膠團表面基團的FTIR分析和Al3+的沉淀溶解平衡的熱力學分析，提出了擬薄水鋁石的膠溶過程機理、膠核的多核結構模型和膠團的雙電層結構模型。 擬薄水鋁石膠體粘度大小反映了納米膠粒的大小、形貌以及存在狀態(tài)。實驗測定了膠體的凝膠化過程中粘度的變化，并且用TEM觀察到粘度增大的同時膠粒在不斷長大，相互串結為網狀結構。根據(jù)粘度的變化建立了凝膠化過程中擬薄水鋁石膠粒生長的動力學模型。對應于膠體粘度的變化，將膠

4、粒的生長分為緩慢生長階段、過渡區(qū)生長轉型和快速凝膠三個階段。 對SnO2微米顆粒在擬薄水鋁石水溶膠中的分散行為和漿料的穩(wěn)定性進行了研究。TEM觀察到SnO2顆粒的大小為0.1-0.8μm，通過機械攪拌可以均勻地分散到擬薄水鋁石固含量為15(Wt)％，pH為2的水溶膠中，制備得到最高SnO2含量為60(Wt)％的穩(wěn)定漿料。SnO2微米顆粒在分散體系中的沉降實驗表明，微米尺寸的顆粒在擬薄水鋁石水溶膠中的重力沉降，是影響體系動力穩(wěn)定的

5、主要因素。對漿料粘度的測定和分散體系中納米擬薄水鋁石膠粒與微米SnO2顆粒的分散狀態(tài)的TEM觀察表明，微米顆粒的引入，一方面引起擬薄水鋁石溶膠的快速凝膠化，粘度快速增加，而增大了顆粒與介質間的摩擦，阻礙顆粒的沉降；另一方面，納米擬薄水鋁石膠粒在SnO2顆粒表面聚合，增強了位阻效應，阻止微米顆粒的聚集，加強了漿料的穩(wěn)定性。結合漿料的穩(wěn)定性機理，建立了SnO2微米顆粒作用下的凝膠過程模型。 擬薄水鋁石溶膠分散SnO2微米顆粒的穩(wěn)定漿

6、料可以直接用于厚膜涂層和塊體材料的制備。首先，實驗采用浸漬提拉法在石墨基底上制備得到0.2-0.5μm厚的涂層，表面沒有開裂，SEM觀察到涂層有大量的微裂紋。從機理上分析了微米顆粒的填充效應以及對涂層的開裂，防止微裂紋產生的影響。其次，漿料經過干燥得到的干凝膠經過模壓成型，得到φ16×3的片狀素坯，在1200℃下燒結體積收縮率達到23.15％，相對密度達到68.34％。SEM觀察到納米小顆粒均勻的分散于微米顆粒之間，納米-納米顆粒、納米

7、-微米顆粒之間形成了明顯的燒結頸。對復合體系的熱力學分析表明在納微米復合塊體材料內存在著兩種形式的氣孔，燒結過程中存在不同的傳質機制，納米顆粒間燒結驅動力大，易于燒結。在納米擬薄水鋁石顆粒高比表面積和高比表面能作用下，強化了燒結過程中物質的傳遞，促進致密化過程。 實驗考察了稀土元素鈰對擬薄水鋁石/SnO2體系的影響。對Al-Sn-O和Al-Sn-O-Ce復合材料進行了物相分析，計算了復合材料中SnO2的晶格常數(shù)。XRD結果顯示，

8、熱處理溫度≤1200℃時，在Al-Sn-O復合體系沒有出現(xiàn)α-Al2O3晶相的衍射峰，且復合粉體晶胞體積比純SnO2的大。稀土化后的復合材料的經過1200℃熱處理后也沒有出現(xiàn)α-Al2O3晶相的衍射峰。表明在Al-Sn-O復合體系中加入納米CeO2顆粒升高了向α-Al2O3轉變的相變溫度。 擬薄水鋁石的膠態(tài)加工本質上是通過具有高比表面積的活性擬薄水鋁石納米膠粒來實現(xiàn)微米顆粒的分散和成型，通過納/微米多尺度顆粒之間的相互作用，以改