高能球磨氧化铝的微观结构和红外光谱分析

刘　银　张明旭

(安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

摘 要：研究了不同球磨时间氧化铝粉料的微观结构变化和红外 光谱，结果表明：随着球磨时间增加，氧化铝颗粒逐渐细化。球磨10 h，其颗 粒大小约为2 μm左右。球磨氧化铝的特征红外吸收光谱表现出明显宽化现象， 这归因于氧化铝颗粒尺寸减小，增大的比表面积导致了Al3+平均配位数下降，不饱 和键和悬键增多。

关键词：氧化铝；球磨；微观结构；红外光谱

Microstructure and Infrared Spectroscopic Analysis of

Alumina Prepared by High Energy Ball Milling

LIU Yin，ZHANG Ming-xu

(School of Materials Science and Engineering, Anhui University of Sci ence and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: Microstructure and infrared spectra of alumina of diffe rent milling time were investigated. The results show that the grain size of alu mina decreases with

increase of milling time. After 15 h of milling

the grain size of alumina is around 2 μm. The characteristic infrare d absorption spectroscopy of milled alumina becomes broader, this ascribed to de crease of the particle diameter and increase of atom number on the surface, whic h lead to the decrease of Al3+ ions coordination numbers and the increa se of unsaturated bonds.

Key words: alumina; ball milling; microstructure; infrared s pectroscopy

氧化铝粉体是一种极为重要的工业原料，在电子、机械、化工等行业都有广泛应用［1 ］。生产过程中为了促进氧化铝颗粒细化、分散，增加其反应烧结活性，常常通过机械球 磨方法来实现。近年来，人们用X-射线衍射分析、电子显微镜分析、热分析技术等对球磨氧 化铝的物相、 微结构、 相转变过程进行了详细研究［2-4］，这些结果对我们进一 步研究其物理化学性质和拓展其应用有很大帮助。 红外光谱法是一种十分简单且应用广泛 的分析技术， 可以有效地鉴定官能团结构和化合物。 然而文献中很少有通过红外光谱仪研 究球磨氧化铝的微结构演变。 因此， 本文采用行星磨对氧化铝粉料球磨不同时间， 研究 了不同条件下氧化铝的微结构和红外吸收光谱。

1 实验

分析纯氧化铝（主晶相为α-Al2O3）按一定料球比和无水酒精一起放入氧化铝球磨罐中 ，通过ND6-4L型行星式高能球磨机，以200 r/min分别球磨0 h 、 5 h、10 h、15 h。球磨氧化铝浆料80 ℃ 干燥24 h，然后研磨并过200目筛。

用X线衍射分析仪（XRD）对球磨氧化铝进行物相结构分析；用扫描电镜观察其微观形貌；采 用重力（离心力）沉淀和光测法原理，通过NSKC-2型分段式宽域粒度分析仪分析球磨氧化 铝的粒度及其分布；用德国BRUKER公司生产的Vector33型红外光谱分析仪测定试样的红外吸 收光谱（IR），扫描范围为4 000 ~ 400 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 球磨氧化铝的微结构ネ1为不同球磨时间氧化铝的X-射线衍射图谱（XRD）。由图1可见氧化铝为纯α相（刚玉） ，未见其它物相存在。随着球磨时间由0 h延长至15 h，样品的组 成并未发生改变，但氧化铝的衍射峰随时间而逐渐宽化，相对强度降低，这意味着氧化铝颗 粒尺寸随着球磨时间逐渐减小。

图2为球磨氧化铝的扫描电镜（SEM）照片。由图2可知：未球磨氧化铝的表面粗糙，颗粒粗 大；球磨15 h后，颗粒变得细小光滑，呈现出絮状团聚体。这是由于研磨介质 的机械碰撞、挤压、研磨作用，脆性的粗大氧化铝颗粒容易断裂细化。同时，大量机械能转 化成为氧化铝颗粒表面化学能，贮存于颗粒表面，因此，氧化铝颗粒表现出很强的表面效应 ，容易团聚成一些松散假颗粒［5］。图1 不同球磨时间氧化铝的X-射线衍射图谱图2 球磨氧化铝SEM照片

表1为不同球磨时间氧化铝的粒度分析结果。由表1可知，氧化铝的初始粒度约为3.58 μm。随着球磨时间延长，氧化铝颗粒的粒径逐渐减小，当球磨10 h时， 其颗粒平均粒径獶50减小为1.77 μm。随着球磨时间进一步延长到15

h，氧化铝颗粒尺寸略有增加。这是由于氧化铝颗粒粉碎后，晶粒尺寸减小， 比表面积增大，由于表面能增大，颗粒之间的物理作用力增加，凝聚力加强，氧化铝颗粒之 间又会团聚，平均粒径略有增大，这说明过多延长球磨时间并不有利于氧化铝颗粒的细化， 而且过度延长球磨时间耗能也较大，因此，在球磨过程中，选择合适的球磨时间对氧化铝的 粒度及其分布有着十分重要的影响。

红外吸收光谱ゲ煌球磨时间氧化铝的红外吸收光谱如图3所示。由图3可以看出：在1 000~400 cm-1波数范围内，不同球磨时间的氧化铝均有两个明显吸收带，这对应氧化铝特征 吸收带［6］；在未球磨氧化铝的红外光谱中，包含了4个特征吸收峰（P1~P4） ，其位置分别为430 cm-1、458 cm-1、493 cm-1、550~820 cm-1。随着球磨时间增加，氧化铝的红外吸收 光谱表现出明显的宽化现象。而且，未球磨氧化铝对应430 cm-1、493

cm-1位置的特征吸收峰逐渐消失，与458 cm-1位置的 特征峰重合。球磨15 h，氧化铝只有458 cm-1、550~820 cm-1两位置的红外吸收特征峰。这是因为氧化铝颗粒尺寸随着球磨时间而 逐渐减小。增大的比表面积导致了Al3+平均配位数下降，不饱和键和悬键增多 ［ 7］。与粗晶氧化铝不同，球磨氧化铝红外光谱中没有一个单一的、择优的键振动模，而 仅仅存在一个较宽的键振动模分布［8-9］。在红外光场作用下，它们对红外吸收 的频率也就存在一个宽的分布，因此，球磨氧化铝特征红外吸收光谱表现出明显宽化现象。

σ/cm-1

图3 不同球磨时间氧化铝的红外光谱图[LL]3 结论

通过高能球磨，氧化铝的颗粒尺寸逐渐减小，球磨10 h，其颗粒尺寸达到2 μm左右。随着球磨时间延长，氧化铝的红外特征光谱逐渐宽化，由未球磨的430

cm-1、458 cm-1、493 cm-1、550 ~820 cm-1 4个红外特征吸收峰，逐渐演化成为458 cm- 1、550~820 cm-1两个红外吸收特征峰。

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(责任编辑：李 丽)