郭華強，張 鑫，朱冠宇，馮福中，王延慶

（中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)，江蘇 徐州 211006）

微波固相法與常規(guī)高溫固相法制備鎂鋁尖晶石粉體的對比研究

郭華強，張 鑫，朱冠宇，馮福中，王延慶

（中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)，江蘇 徐州 211006）

以MgO和Al2O3為主要原料(摩爾比1∶1，質(zhì)量比20∶51)，分別采用微波固相燒結和常規(guī)固相燒結的手段制備MgAl2O4。用X射線衍射(XRD)，掃描電鏡(SEM)及晶粒粒徑統(tǒng)計計算分析軟件表征和分析得到的MgAl2O4。分析結果表明，在1400 ℃下，兩種手段均能獲得MgAl2O4，但是采用微波固相燒結所獲得的MgAl2O4結晶度更好，晶粒更加細小圓滑，外形規(guī)則均勻，具有更優(yōu)良的晶體學特征，從而更有利于MgAl2O4的應用。且微波固相燒結節(jié)省了大量的制備時間，降低了能源消耗。

對比研究； MgAl2O4；微波燒結

0 引 言

MgAl2O4尖晶石是一種優(yōu)良的陶瓷材料，具有普通陶瓷的耐高溫，耐磨，耐腐蝕，抗沖擊，絕緣性好，熱膨脹系數(shù)小，硬度高等優(yōu)點[1,2]。同時具有優(yōu)良的光學性能，在紫外、可見光、紅外光波段具有良好的透過率，被廣泛應用于電子元器件的絕緣骨架，合金、金屬制品的陶瓷保護膜，遠紅外波段窗口材料，耐火材料，優(yōu)秀的短波長(藍綠紫波段)激光基質(zhì)晶體材料等。在開發(fā)和利用新材料的探索中，MgAl2O4材料逐漸得到了人們的重視[3,4]。

近年來，科研人員發(fā)明了多種方法來制備MgAl2O4，主要有共沉淀法[5]、溶膠凝膠法[6,7]、固相燒結法等[8,9]。這些合成方法各具有優(yōu)缺點，其中固相化學合成方法是應用比較多的一種方法，適合大量生產(chǎn)，成本低，但通過常規(guī)固相燒結方法合成的樣品的純度不夠，晶粒不均勻，同時也耗費大量的能源資源。微波固相燒結作為一種新興的陶瓷燒結方式，較傳統(tǒng)的加熱方法具有快速、節(jié)能、環(huán)保等加熱優(yōu)勢，同時還具有促進相結構均勻等非熱優(yōu)勢，使其得到了廣泛的研究和應用[10-12]。

本文以MgO和Al2O3為主要原料，分別采用微波固相法和常規(guī)高溫固相法的手段制備MgAl2O4粉體。然后采用X射線衍射(XRD)，掃描電鏡(SEM)及晶粒粒徑統(tǒng)計計算分析軟件表征和分析得到的MgAl2O4。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：本文所用MgO粉末和Al2O3粉末均為商購普通的粉末材料，兩者的性能參數(shù)分別如表1和表2所示。

儀器：X-射線衍射儀(D8 Advance, 12 KW, 轉靶，德國布魯克公司)，掃描電子顯微鏡(S-3000N型，日本日立公司)，高溫微波燒結爐(Wzgy3s，南京三樂儀器)。

1.2 實驗過程

實驗過程如圖1所示。

首先，按照質(zhì)量比Al2O3∶MgO=51∶20稱取Al2O3粉末和MgO粉末，混合于乙醇溶液中，并采用QM-1SP4式行星球磨機以400 r/min的轉速進行濕法球磨12 h，使其混合均勻。球磨后取出混合懸浮液放在干燥箱中于80 ℃下進行干燥并過篩獲得混合粉末。

然后，將干燥后的混合粉末裝入壓坯模具中，在萬能試驗機上以40 MPa 壓力保壓1 min，脫模后得到Φ10 mm×H15 mm的柱狀素坯。

再次，將素坯分別進行微波固相法燒結和常規(guī)高溫固相法燒結。微波固相法采用微波頻率為2.45 GHZ，輸出功率為1500 W，燒結時間設定40 min。微波燒結爐的溫度、時間、功率可在設備的顯示屏上實時顯示并記錄。常規(guī)高溫固相法采用普通電熱燒結爐，在1400 ℃下燒結6 h。

最后，將燒結后的試樣，進行研磨，獲取粉末試樣，分別用X射線衍射(XRD)，掃描電鏡(SEM)及相關分析軟件進行表征和分析，對比研究兩種燒結方法所獲得的MgAl2O4粉末的不同特性。

2 結果與討論

2.1 晶相分析

圖2、圖3分別為微波固相法和常規(guī)高溫固相法所獲得的MgAl2O4粉末的XRD圖譜。兩種方法均能獲得比較明顯的MgAl2O4的特征衍射峰，且基本沒有雜質(zhì)峰的存在，均能獲得比較純的MgAl2O4相。

但是通過對比研究XRD圖譜，可以看出，采用微波固相法所制備的MgAl2O4的最強X射線衍射峰強度較常規(guī)高溫固相法制備的MgAl2O4的最強X射線衍射峰強度要高一些，說明通過微波輔助加熱方式制備的MgAl2O4晶體的結晶度比較好。因此相對于常規(guī)高溫固相法，采用微波固相結制備的MgAl2O4將具有更優(yōu)良的晶體學性能，從而更有利于MgAl2O4的應用。

表1 Al2O3粉末的性能參數(shù)表Tab.1 Performance parameters of Al2O3powder

表2 MgO粉末的性能參數(shù)表Tab.2 Performance parameters of MgO powder

2.2 形貌分析

圖1 試驗工藝流程Fig.1 Experiment steps

圖4、圖5分別是微波固相法和常規(guī)高溫固相法所獲得的MgAl2O4粉末的SEM顯微結構圖。對比兩者的SEM圖片發(fā)現(xiàn)，微波固相法試樣的晶粒細小圓滑，且外形規(guī)則均勻，而常規(guī)高溫法試樣的晶粒尺寸較大，棱角分明，不夠規(guī)則。

2.3 粒徑分布分析

用統(tǒng)計學方法，并借助專用分析軟件，通過對獲取的SEM圖片進行深入研究，以獲取樣品的粒徑分布情況。對于幾近于球形的晶粒直接獲取并記錄其直徑，而幾何形狀不一、呈卵石狀的晶粒，測量其最短直徑與最長直徑的長度，取兩者的平均值記做該晶粒直徑。標記晶粒并記錄其粒徑尺寸，然后統(tǒng)計兩種燒結試樣的粒徑頻數(shù)分布，如表3，并進一步獲得粒徑頻數(shù)分布圖，如圖6。進一步的統(tǒng)計計算，可以獲得微波固相法和常規(guī)高溫固相法所獲得的MgAl2O4的平均晶粒尺寸，分別為0.37 μm和0.51 μm。

圖2 微波固相燒結制備的鎂鋁尖晶石樣品的X射線衍射圖(a)微波固相燒結制備試樣的X射線衍射圖；(b)鎂鋁尖晶石標準卡(PDF：21-1152)Fig.2 XRD pattern of MgAl2O4phase synthesized by (a) microwave sintering and (b) standard card of MgAl2O4(PDF: 21-1152)

圖3 常規(guī)固相燒結制備的鎂鋁尖晶石樣品的X射線衍射圖(a)常規(guī)固相燒結制備試樣的X射線衍射圖(b)鎂鋁尖晶石標準卡(PDF：21-1152)Fig.3 XRD pattern of MgAl2O4phase synthesized by (a) conventional sintering and (b) standard card of MgAl2O4(PDF: 21-1152)

圖4 微波固相法制備的MgAl2O4試樣的SEM圖Fig.4 SEM morphology of MgAl2O4phase synthesized by microwave sintering

上述晶粒形貌及晶粒尺寸的分析表明，微波固相法在抑制晶粒長大方面具有明顯的優(yōu)勢，起到明顯的晶粒細化作用。且由于其均勻的加熱作用，使得晶粒細小且大小分布均勻，這將有利于MgAl2O4性能的發(fā)揮。

2.4 固相法制備進程分析

圖 7(a)、(b)分別為微波固相法和常規(guī)高溫固相法制備MgAl2O4的溫度和時間關系曲線。從圖中可以看出，達到MgAl2O4相所需的固相反應溫度，微波加熱只需要10 min，而常規(guī)高溫法需60 min。從整個燒結過程來看，由于常規(guī)高溫固相法的冷卻階段需要更長時間，因此，微波固相法過程明顯要短，微波法在40 min內(nèi)即可完成，而常規(guī)高溫法則超過100 min甚至更長時間。由此可見，微波固相法節(jié)省了大量時間。而更加值得注意的是，常規(guī)高溫固相法由于過長的保溫時間，或者過高的隨爐冷卻溫度，給了晶粒長大、甚至部分晶粒熔融或燒蝕的充分條件。

圖5 常規(guī)高溫固相法制備的MgAl2O4試樣的SEM圖Fig.5 SEM morphology of MgAl2O4phase synthesized by conventional sintering

表3 MgAl2O4粒徑頻數(shù)分布表Tab.3 Statistic results of MgAl2O4grain size distribution

圖6 粒徑頻數(shù)分布統(tǒng)計圖Fig.6 Histogram of grains size distribution

圖7 微波燒結與常規(guī)燒結升溫過程對比Fig.7 Temperature vs. time for (a) microwave sintering and (b) conventional sintering (a) and (b)

3 結 論

(1)以MgO和Al2O3為主要原料(摩爾比1∶1，質(zhì)量比20∶51)，分別分別采用微波固相法和常規(guī)高溫固相法的手段制備，在1400 ℃下，均能獲得MgAl2O4。

(2)采用微波固相法所獲得的MgAl2O4結晶度更好，晶粒更加細小圓滑，外形規(guī)則均勻，具有更優(yōu)良的晶體學特征，從而更有利于MgAl2O4的應用。且微波固相法節(jié)省了大量的制備時間，降低了能源消耗。

[1] HARRIS D C. Window and Dome Technologies and Materials IX, Proceedings of SPIE, 2005, 5786: 1-22.

[2] MROZ T J, HARTNETT T M, WAHL J M, et al. Recent advances in spinel optical ceramics. Proceedings of SPIE, 2005, 5786: 64-70.

[3] HARRIS D C. Materials for Infrared Windows and Domes: Properties and Performance. Bellingham, WA: SPIE Press, 1999.

[4] HOSSEINI S M. Structural, electronic and optical properties of spinel MgAl2O4oxide. Physica Status Solidi: B, 2008, 245: 2609-2615

[5] LI J G, IKEGAMI T, LEE J H, et al. A wet-chemical process yielding reactive magnesium aluminate spinel (MgAl2O4) powder. Ceram. Int., 2001, 27(4): 481-489..

[6] SHIONO T, SHIONO K, MIYAMOTO K, et al. Synthesis and characterization of (MgAl2O4) spinel precursor from a heterogeneous alkoxide solution containing fine MgO powder. J.Am. Ceram. Soc., 2000, 83(1): 235-237.

[7] SABERI A, GOLESTANI-FARD F, WILLERT-PORADA M, et al. A novel approach to synthesis of nanosize MgAl2O4spinel powder through sol-gel citrate technique and subsequent heat treatment. Ceram. Int., 2009, 35(3): 933-937.

[8] LI G, SUN Z, CHEN C, et al. Synthesis of nanocrystalline MgAl2O4spinel powders by a novel chemical method. Mater.Lett., 2007, 61(17): 3585-3588.

[9] DOMANSKI D, URRETAVIZCAYA G, CASTRO F J, et al.Mechanochemical synthesis of magnesium aluminate spinel powder at room temperature. J. Am. Ceram. Soc., 2004, 87(11): 2020-2024.

[10] XIAO L S, SHEN H, HAGEN R V, et al. Chem. Commun., 2010, 46: 6509-6511.

[11] WANG H E, ZHENG L X, LIU C P, etc. J. Phys. Chem. C, 2011, 115: 10419-10425.

[12] SATHYASEELAN B, ANAND C, MANO A, et al. J. Nanosci.Nanotechnol., 2010, 10: 8362-8366.

A Comparative Study on Synthesis of MgAl2O4by Microwave Sintering and Conventional Sintering

GUO Huaqiang, ZHANG Xin, ZHU Guanyu, FENG Fuzhong, WANG Yanqing
(School of Materials Science and Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China)

Magnesia alumina spinel (MgAl2O4) phases were synthesized by microwave sintering and conventional sintering respectively from the mixture of MgO and Al2O3powders to the mole ratio of 1:1. Then the MgAl2O4phases were investigated by X-ray diffraction (XRD) analysis, scanning electron microscopy (SEM) and the statistics & calculation software for particle size distribution, and the results revealed that microwave sintering could save time and energy, and obtain better microstructure with fne and homogeneous crystal grains.

comparative study; MgAl2O4; microwave sintering

TQ174.75

A

1000-2278(2014)05-0507-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.05.011

2014-06-20。

2014-07-15。

中國礦業(yè)大學“本科教學工程”國家級大學生創(chuàng)新訓練項目(編號：201310290045)、中國博士后資助項目(編號：2013M531422)、江蘇省博士后資助項目(編號：1101031C)。

王延慶(1978-)，男，博士，副教授。

Received date: 2014-06-20. Revised date: 2014-07-15.

Correspondent author:WANG Yanqing(1978-), male, Ph.D., Associate professo

E-mail:cumtwyq@163.com