纳米氧化铝在精细陶瓷中的应用

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欢迎访问e展厅 展厅 11 纳米材料/工业陶瓷展厅 空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ... 一、纳米氧化铝（VK-L05C）的功能 从结构陶瓷的角度看，纳米氧化铝精细陶瓷可分为耐磨部件、结构部件、耐火部件、载体、耐酸部件、绝缘部件等等。 从功能方面看，纳米氧化铝具有电学、光学、化学、生物、吸声、热学、力学等多种功能。 绝缘功能：集成电路基片、封装、火花塞、Na-S电池固体电解质、传感器。 光学功能：高压钠蒸气灯发光管、激光器材料。 化学功能：控制化学反应，净化排出气体，催化剂载体、耐腐蚀材料、固酶载体。 生物体功能：人工骨骼，人工牙根 吸声功能：吸声板 热学功能：耐热，隔热结构材料 力学功能：研磨材料、切削材料，轴承、精密机械零部件。 二、纳米氧化铝（VK-L05C）精细陶瓷的应用 以纳米氧化铝（VK-L05C）为主要原料制得的纳米氧化铝精细陶瓷，因具有多种功能，在高科技术领域及许多行业中已得到应用，本文简要介绍如下： 1、在电子工业中的应用 （1）多芯片式封装用陶瓷多层基板：十年来已成功地用于计算机半导体芯片的封装，不仅使计算机的性能提高了十多倍，而价格也大幅度连续下降。这是由于实现了高密度封装，缩短了芯片本身的信号传输时间。封装用的纳米氧化铝陶瓷多层基板的制造方法有厚膜印刷法、生坯叠片法、生坯印刷法、厚薄膜混合法等四种。 （2）高压钠灯发光管：由多晶不透明的纳米氧化铝所形成的纳米氧化铝透明体，应用于高压钠灯发光管，照明效率为水银灯的两倍，从而开拓了提高照明效率的新途径。透明纳米氧化铝精细陶瓷不仅能透光，而且具有耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度、介质损耗小等性能，是一种优良的光学陶瓷，还可作微波炉窗等。 （3）纳米氧化铝陶瓷传感器：用纳米氧化铝陶瓷的晶粒、晶界、气孔等结构特征和特性作敏感元件，用于高温和含腐蚀性气体的环境中，使检测、控制的信息准确而迅速。从应用的类型看，有温度、气体、温度等传感器。目前需急待解决的问题是互换性、选择性，从单个传感器发展到复合传感器和多功能传感器。 2、生物纳米氧化铝（VK-L05C）陶瓷 陶瓷作为生物体材料使用的尝试始于1890年，而纳米氧化铝多晶作为生物功能材料并应用于人体是1969年，纳米氧化铝精细陶瓷用于医学工程的有单晶体和烧结的多晶体两种。现在，美国、西德、瑞士和荷兰都在广泛地使用多晶纳米氧化铝制作人造牙和人造骨，据日本通产省生活产业局精细陶瓷室参考通产省和民间调查机构的调查结果，医学用材料主要是纳米氧化铝，用于牙根、关节，1981年商业额就已达10亿日元，市场的年增长率为7.2%。近来，山东工业陶瓷研究设计院、淄博中心医院在人造牙的研究方面也取得突破性进展，研究结果表明，纳米氧化铝精细陶瓷与人体组织液的接触角是最接近人体牙的材料。迄今用于医学工程中的生物陶瓷有20余种，纳米氧化铝是用得最多的一种。 3、固定化酶载体 对于生物化学反应过程，酶是加速过程进行的主角，上述两者的结合，需要解决酶的固定化的提供性能优良的固定化酶载体。对于间歇的均相体系，酶的重复利用相当困难，故难以提高过程的生产效率，酶的固定已成为实现自动化作业的当务之急。酶有1500多种，但酶催化作用有专一性。固定化酶的研究始于本世纪60年代，1975年Messing用孔径175×10-10m、比表面积100m2/g、25~60目球状纳米氧化铝陶瓷，固定葡萄糖异构酶。山东铝厂研究院曾于1983~1985年研究了由玉米→葡萄糖→高果糖浆（含果糖50~60%）的固酶纳米氧化铝载体，其因定酶活已达8000~10000个单位/克纳米氧化铝。 纳米氧化铝作为固酶载体的优点是：具有大的比表面，固酶量大；性能稳定、活性期长，酶不会中毒；孔径分布为120~210×10-10m，便于清理、再生；耐化学腐蚀，不受细菌侵蚀；可用流态化床反应；造价低等等。 4、耐热结构材料 随着航天技术的发展，纳米氧化铝纤维、晶须及复合材料，是引人注目的高性能防热、绝热材料之一。 （1）航天飞机的热防护系统：航天飞机在返回与再入过程中，对热防护系统提出了更高的要求。美国洛克希德导弹宇航公司认为，纳米氧化铝纤维是最有希望的材料之一。由纳米氧化铝纤维构成的复合材料已用作导弹头锥、喷管，航天飞机头部和机翼前缘，并在民航飞机刹车材料中得到应用。 （2）新的高温陶瓷纤维：最新发展了一种纳米氧化铝--氧化锆陶瓷纤维，使材料的强度和韧性得到提高。拉伸强度超过2100Mpa，在1400℃空气中暴露100小时后，在室温仍保持1400Mpa的拉伸强度。这种复合材料可用于火箭发动机喷管的喉部衬垫、尾部喷管的绝热材料。 （3）α- Al2O3晶须：密度为3.9g/cm3，强度在已知的晶须材料中是最大的，可达13800~27600 Mpa，模量（6.9~2.4）×103Mpa；而纳米氧化铝纤维（直径3μm）的密度是3.2g/cm3，强度2600Mpa，模量2.5×103Mpa。由此可见，Al2O3晶须具有比纤维更高的强度及模量，且晶须增强复合材料的制造工艺比较简单。所以，发展晶须增强复合材料也属方向之一。 （4）等离子喷涂纳米氧化铝陶瓷瓷体：采用东风3号纳米氧化铝，经万度以上的等离子焰流，将纳米氧化铝喷涂于火箭筒表面作为耐冲刷的耐热材料，在我国已有近20年的历史，等离子法喷涂而形成的纳米氧化铝耐热层已在机车活塞、复杂工件的热防护等方面取得了成功的应用。 （5）纳米氧化铝空心球：纳米氧化铝空心球不仅保留了耐高温的优点，而且还有体积密度小，导热系数低，在高温下体积不收缩、抗火焰冲刷的特点。若与同类致密制品比较，体积密度可降低50~60%，导热系统和蓄热量可降低一半，使用温度为1600~1800℃，是用作高温窑炉的理想结构材料。节能效果在20%以上，空心球制品能使窑炉升温容易、降温快、一般可缩短生产周期三分之一左右。在空心球的制作技术上，如何提高质量及有效球径的成品率尚有潜力。 5、纳米氧化铝（VK-L05C）陶瓷刀具 纳米氧化铝的硬度（Hr）为2700~3000，杨氏模量（kg/mm2）35000~41000。导热系数0.75~1.35×103J/m•h•℃，热膨胀系数8.5×10-6/℃（室温~1000℃）。人们在利用这些特性的同时，又开发了Al2O3~TiO2，Al2O3-ZrO2系陶瓷，以改善纳米氧化铝陶瓷刀具的韧性和耐热冲击性，适应高速切削的需要。 Al2O3的粒度组成在烧结过程中纳米氧化铝晶粒度的控制是决定刀具质量的重要环节，若采用高温等静压烧结（HIP），可使晶粒度为0.3~0.5微米。纳米氧化铝刀具的抗折强度可提高到900~1000MPa。 6、纳米氧化铝（VK-L05C）精细陶瓷在化学工业中的应用 随着石油精制、石油化学的发展，金属氧化物大量用作固体催化剂，特别是70年代后，纳米氧化铝陶瓷在化工中的作用显得特别突出，例如，重油氢化裂解、处理汽车的排气、从排烟中除去NOx、接触燃烧催化剂等等。目前我国铝行业及一些陶瓷厂家已开发一系列新产品，这里只简要地介绍催化剂载休及多孔纳米氧化铝陶瓷。 （1）催化剂载体：主要是利用纳米氧化铝（VK-L05C）良好的孔径分布、较高的孔容、大的表面积（60~400m2/g）、多种晶型的特异功能。纳米氧化铝已作为铂、钯、钴、锰、铁、镍、钒等化合物的载体，构成氧化一还原、酸碱催化作用。常用的材料结构有粒状载体（园柱状、球状、三叶形）、整体结构（蜂窝状陶瓷、多孔陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维）。目前正研究将纳米氧化铝用作高温反应的催化剂载体，制取单一晶型具有择优催化作用的新型材料，η-Al2O3的应用正在开发。 （2）纳米氧化铝（VK-L05C）多孔体陶瓷：用于电解隔膜、细菌过滤、分离、分散、吸收机能的过滤器件。纳米氧化铝陶瓷的孔径在15~200μm。使用纳米氧化铝陶瓷过滤器能形成稳定的过滤膜且厚度均一。特别是食品行业，要进行热态杀菌作业，用纳米氧化铝的陶瓷器件是最合适的。蜂窝状纳米氧化铝多孔体陶瓷，是当前应用的方向，用于多种排气的净化、触媒载体、菌体固定化、人体血液排毒净化等。 7、纳米氧化铝（VK-L05C）陶瓷机械零件 纳米氧化铝陶瓷机械零件在化学工业上应用较早，多年来有很大发展，特别是耐酸泵、阀门等部件，常应用在盐酸、硫酸、硝酸工业中。最近，日本高浪西公司研究成功的抗高温纳米氧化铝螺栓、螺帽，能抗1900℃高温，螺栓的直径为10~30mm（最大可达50mm）螺栓长可达1m。值得注意的是，改性后的纳米氧化铝陶瓷有可能在燃气轮机、发动机中得到应用；用等离子喷涂纳米氧化铝于多种机件表面，正在得到应用。它可以提高热机工作温度、节约战略物资，避免环境污染。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/1/2010)