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一段话了解全文
P-milling具有独特的优势,等离子体的快速加热和球磨对前驱物的冲击应力协同作用,大大降低了前驱物的合成温度并有效地提高了AlN的合成效率。此外结果表明,由Al2O3/C前驱体合成的AlN含量高。即使晶粒尺寸相对大于Al2O3前驱体的晶粒尺寸,在较低的温度下也能获得较高的转化率。而且,由p-millingAl2O3/C合成的AlN粉末在粒度,颗粒分布和晶体形态方面具有更好的优越性。
等离子处理流程
图1 等离子球磨示意图
在此实验采用等离子球磨(p-milling)和普通球磨(c-milling)对比实验。用不锈钢球作为研磨介质,前驱体使用Al2O3和Al2O3/C。球与粉末的重量比为30:1。研磨后,在立式石墨炉中前体混合物在流动的N2(1L/min)中于1100–1600℃的温度下加热2小时。最后,在马弗炉中除去多余的碳。
材料表征
图2 Al2O3和Al2O3/C分别在c-milling和p-milling后前体X射线衍射图。
仅能检测到Al2O3和C的衍射峰。与研磨0h的Al2O3相比,在研磨40h后,衍射峰的强度和半峰全宽(FWHM)变得更弱和更宽,在相同条件下,Al2O3前体的强度和FWHM均比Al2O3/C的弱。球磨过程中,Al2O3/C中C起到润滑作用,可以有效减小机械冲击力,减缓晶粒细化速度。p-milling下衍射峰的强度和FWHM更低,更宽,起到进一步精制前驱体。
图3 Al2O3和Al2O3/C前驱体分别在c-milling和p-milling下的晶粒尺寸和晶格畸变以及比表面积
晶粒尺寸已达到纳米颗粒的临界值,并随着研磨时间的增加而降低至稳态,而晶格畸变和比表面积均随研磨时间的增加而增加,由于等离子体协助作用p-milling的畸变效果大于c-milling。一旦形成纳米级晶粒,就不会通过增加球磨时间来细化,但可以通过晶界滑动进一步变形。
图4 研磨40h SEM照片 Al2O3前体(a)c-milling (b)p-milling Al2O3/C前体(c)c-milling (d)p-milling
图4中(a)(b)分别呈现相同的不规则块状团聚体,由200~500nm小颗粒二次成型。此外,在图4(b)中团聚体粒径更小,可见清晰的轮廓,光滑的表面和熔融迹象,表明放电等离子体不仅对晶粒细化,一定程度上也防止了结块作用。图4(d)中,Al2O3/C前驱体进一步细化,Al2O3颗粒和C相互包裹在一起。由于碳具有层状结构的特征,且层与层之间的结合力较小,因此,Al2O3颗粒将被碳均匀包裹,不仅使Al2O3和C处于高能态,也增加了有效接触面积,缩短了平均扩散路径,氮化速度和转化率都有所提高。
图5 1400°C煅烧后c-milling和p-milling前体的XRD图谱(a)Al2O3 (b) Al2O3/C
图5(a)中p-milling40h时,仅有AlN晶相特征峰。p-milling可以有效地促进Al2O3粉末转化为AlN。图6(a)显示Al2O3/C前驱体的转化率AlN更高。
图6 热处理温度和球磨时间对AlN转化率的影响
Al2O3/C前体的AlN转化率远高于来自Al2O3前体的AlN转化率且转化速率更快。在约1300℃下,p-millingAl2O3/C前体下的AlN转化率已达到100%,而在p-milling和c-milling在1600℃Al2O3前体AlN转化率分别仅为约75%和43%。以Al2O3/C为前驱体,球磨时间为30h制备AlN的效率最高。
图7在1400℃下由p-milling前体合成的AlN纳米粉的SEM和TEM照片(a)(b)Al2O3前体 (c)(d)Al2O3/C前体。
来自Al2O3前体制备的AlN粉末由700至1000nm范围内的不均匀块状颗粒组成,与TEM分析结果一致。Al2O3/C前驱体制备的AlN粉末是由分布均匀的球形颗粒组成,平均粒径在200nm至300nm之间,粒径远小于来自Al2O3前体的AlN粉末,并且AlN晶体形态也要好得多。
原理解释
对于p-milling过程,主要存在以下影响:(1)球的撞击导致粉末的变形,断裂和焊接;(2)等离子加热效果;(3)轰击造成的压力效应。磨球与前体之间的高速碰撞使前体发生强烈的塑性变形,断裂和冷焊。另一方面,等离子体在前驱物微观结构演变中的作用可以将断裂的Al2O3颗粒表面迅速加热到更高的温度。电子和离子高速流动,能量从放电等离子体撞击到粉末表面,并以热的形式转移到粉末中,从而导致温度急剧上升并产生热爆炸,从而引起熔体熔化甚至汽化。这种快速的熔化和汽化将导致前驱物爆炸,并且还会在不稳定状态下在晶格中产生大量原子。因此,p-milling协同作用的独特优势将有效地加速和增强粉末的剪切和冲击效果,热爆炸和塑性变形。
结论:
研究并比较了Al2O3和Al2O3/C前驱体的特性以及相应的合成AlN。与由Al2O3前驱体合成的AlN相比,由Al2O3/C前驱体合成的AlN具有更高的转化率,并且在粒度,颗粒分布,晶体形态和比表面积方面具有更好的优越性。由于等离子的快速加热和机械球磨的冲击应力,对合成的氮化铝具有独特的优势协同作用,大大降低了煅烧温度,有效地提高了合成氮化铝的效率。
以上结果来自于与
Liu Z J , Yang D Z , Wang W C , et al. Effect of Different Precursors on Synthesized Aln by Plasma Assisted Ball Milling[J]. Materials & Manufacturing Processes, 2015:150925174410007. |