1.1 Structure cristalline d’alumine
L'alumine a une structure relativement complexe, dans laquelle elle est divisée en deux catégories basées sur la disposition de O2- : structure cubique (fcc) ou structure hexagonale compacte (hcp). Au sein de ces deux grandes catégories, une classification plus approfondie peut être effectuée sur la base de Al3+, parmi lesquelles les structures (cubique), η (cubique), θ (monoclinique) et δ (orthorhombique) sont basées sur le réseau fcc, tandis que (trigonal), κ (orthorhombique) et χ (hexagonal) sont des structures hcp.
La structure cristalline -Al2O3 a de l'O2- disposé dans une structure hexagonale serrée-, les parties restantes formant des sites interstitiels octaédriques, et de l'Al3+ remplissant les 2/3 des sites interstitiels, garantissant ainsi que la formule chimique de l'alumine est -Al2O3. Le principe de remplissage de Al3+ dans les sites interstitiels octaédriques satisfait aux règles de Pauling, c'est-à-dire que la distance entre Al3+ au sein d'une même couche et entre les couches doit être maintenue aussi éloignée que possible [1].
-Al2O3 est ensuite divisé en flocons-comme -Al2O3 et -Al2O3 sphérique. Les flocons-comme -Al2O3 présentent une structure planaire bidimensionnelle-dans l'espace, avec une petite épaisseur et un grand rapport diamètre-sur-épaisseur. Il est généralement préparé par trois méthodes : chimie humide, réaction à l'état solide-et méthode au sel fondu. La structure sphérique -Al2O3 est principalement disposée dans un espace tridimensionnel-, et sa croissance dans la direction bidimensionnelle -doit être supprimée pendant la préparation, de sorte que des méthodes telles que la précipitation homogène, la méthode hydrothermale, la méthode du goutte-à-goutte, la méthode du modèle, la méthode de pulvérisation et l'électrolyse au plasma sont principalement utilisées ici. Le -Al2O3 sphérique est relativement plus difficile à préparer.
La structure cristalline -Al2O3 est caractérisée par un empilement cubique serré d'O2-, formant ainsi une structure octaédrique. Cette structure évolue ensuite vers une structure spinelle, dans laquelle 32 atomes O cubiques compacts constituent la cellule unitaire. Dans la structure spinelle, 32 atomes d'O forment 8 vides tétraédriques et 16 vides octaédriques, dans lesquels 67/3 atomes d'aluminium sont répartis de manière aléatoire dans les vides, tandis qu'il existe 8/3 de lacunes [2].
La caractéristique de la structure cristalline -Al2O3 réside dans sa surface spécifique élevée et ses centres actifs largement répartis. Aux températures catalytiques appropriées, ce matériau présente une bonne stabilité. Par conséquent, les catalyseurs -Al2O3 ont de larges perspectives d’application dans l’industrie et la recherche scientifique en raison de leur haute sélectivité.
-Al2O3 est la forme cristalline d'alumine la plus stable, et les autres formes cristallines sont instables et sont appelées phases de transition. Ces phases de transition finiront par se transformer en structure stable -Al2O3 dans certaines conditions, donc -Al2O3 est également la phase de transformation finale de l'alumine. Par conséquent, seul -Al2O3 existe dans la nature, sous forme de minéraux naturels tels que le corindon naturel, le rubis et le saphir. Cette structure est également appelée structure cristalline du corindon [3-4].
1.2 Céramiques d'alumine
Les céramiques d'alumine sont un matériau céramique à haute-performance. En raison de leurs excellentes propriétés physiques et chimiques, ils sont largement utilisés dans des environnements difficiles tels que des températures élevées, une résistance élevée, une résistance élevée à l'usure et une isolation élevée. L'histoire de leur développement remonte à la fin du 19e siècle. En raison de leur haute résistance et rigidité, les céramiques d’alumine sont l’une des céramiques d’oxyde les plus populaires. Parallèlement, en raison de leurs propriétés mécaniques, électriques et optiques générales, les céramiques d'alumine sont utilisées dans de nombreux domaines industriels modernes.
Les céramiques d'alumine ont une dureté élevée, avec une dureté Rockwell de HRA80-90, qui est juste derrière le diamant. La résistance à l'usure de la céramique d'alumine est équivalente à 266 fois celle de l'acier au manganèse et à 171,5 fois celle de la fonte à haute teneur en chrome-. Dans les mêmes conditions de travail, il peut prolonger la durée de vie de l'équipement d'au moins dix fois. La densité du matériau céramique d'alumine est de 3,7 à 3,95 g/cm³, soit seulement la moitié de celle de l'acier, ce qui peut également réduire considérablement la charge de l'équipement. Dans le même temps, il présente également des avantages tels qu'une conductivité thermique élevée, une bonne résistivité et stabilité thermique, ainsi qu'une faible constante diélectrique. C'est le matériau préféré pour une nouvelle génération de dispositifs et de systèmes microélectroniques et est devenu le matériau principal pour les substrats de circuits dans des domaines tels que l'aérospatiale, les communications 5G, les semi-conducteurs haute -puissance et l'éclairage LED haute puissance [5].
La technologie de préparation de poudres d'alumine ultrafines de haute-pureté est l'un des facteurs clés limitant le développement rapide de matériaux céramiques d'alumine spéciaux et constitue également un maillon clé de la réduction des coûts et de l'augmentation de l'efficacité de la production industrielle. Le développement de nouvelles méthodes de préparation de poudres céramiques de haute-qualité revêt une grande importance pour le développement des matériaux céramiques et des domaines de haute technologie-associés.
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Technologie de préparation de poudre d'alumine
2.1 Classification des précurseurs d'alumine
La préparation de l'alumine implique généralement la décomposition thermique des hydrates d'alumine, qui sont précipités à partir de solutions contenant des ions Al3+ ou des composés organométalliques. Des études ont montré que ce processus de conversion (comme la déshydratation de la boehmite en -Al2O3) est une réaction topotactique, permettant de retenir la morphologie microscopique du précurseur dans l'alumine. Par conséquent, les caractéristiques de l’alumine sont étroitement liées à celles du précurseur hydrate.
Selon les différences de structure et de teneur en eau, les précurseurs de l'alumine comprennent principalement la gibbsite, la bayérite, la nordstrandite et la diaspore, parmi lesquelles la diaspore est divisée en diaspore et boehmite. La gibbsite est le principal composant de la bauxite dans les régions tropicales. En tant que produit final du procédé commercial Bayer, il est produit à grande échelle par précipitation alcaline de Al3+ et est largement utilisé comme ignifuge, additif pour les polymères et le papier, charge de dentifrice et stabilisant pour le dioxyde de titane. La structure cristalline de la gibbsite appartient au système monoclinique, avec des octaèdres d'aluminium -oxygène reliés par des bords pour former une structure en couches, et la disposition de l'empilement en double -couche peut être exprimée par AB BA AB BA.... Boehmite, également connue sous le nom de pseudo-boehmite. Il peut être synthétisé par voie hydrothermale en utilisant la gibbsite comme matière première, ou obtenu par grillage contrôlé de la bayérite. La boehmite appartient au système orthorhombique, avec des octaèdres d'aluminium -oxygène reliés par des bords et disposés en escalier, et ses couches sont reliées par des liaisons hydrogène. Dans la structure octaédrique, les atomes d'oxygène sont disposés de la manière ABC ABC....
Parmi les divers précurseurs de l'hydroxyde d'aluminium, la pseudo-boehmite est un type d'hydrate avec une cristallinité relativement faible. Il se caractérise par une surface spécifique élevée, des pores abondants, une surface chargée positivement, une dispersion facile dans l'eau et des solvants contenant des hydroxyles - et une bonne solubilité du gel dans des conditions acides. Ces caractéristiques font que la pseudo-boehmite est largement utilisée comme support de catalyseur et liant, et c'est également un produit intermédiaire important pour la production d'alumine activée [6].
2.2 Méthodes de préparation de poudre d’alumine
2.2.1 Méthode en phase gazeuse
La méthode en phase gazeuse utilise directement du gaz ou vaporise des réactifs via différentes méthodes de chauffage, provoquant des réactions physico-chimiques à l'état gazeux, et finalement une condensation pour former des poudres ultrafines. Ce type de méthode présente des conditions de réaction douces, un contrôle facile de l'agglomération, une bonne dispersibilité des particules, une petite taille de particules et une distribution étroite ; l'inconvénient est un rendement extrêmement faible et des coûts de production difficiles à contrôler.
Dans la méthode en phase gazeuse, les matières premières doivent être complètement vaporisées avant la réaction, ce qui consomme beaucoup d'énergie, et la réaction nécessite une grande quantité de gaz inerte avec une très faible humidité, ce qui entraîne un coût relativement élevé pour la méthode en phase gazeuse.
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est une méthode en phase gazeuse couramment utilisée pour préparer la nano-alumine. Cette méthode utilise du chlorure d’aluminium et de la vapeur d’eau pour réagir dans une chambre de réaction afin de générer une nanopoudre d’alumine. Les méthodes CVD courantes incluent le CVD à la flamme, le CVD par pyrolyse laser et autres. Han Shizhong et coll. [7] ont préparé une poudre d'alumine de haute -pureté avec une taille de particule moyenne de 5,6 nm par CVD organométallique au plasma, réagissant dans un environnement d'oxygène à 1 000 degrés et 5,3 kPa pour obtenir une poudre d'alumine nano- sphérique.
2.2.2 Méthode en phase liquide
La méthode en phase liquide consiste à dissoudre des sels d'aluminium dans un certain solvant, à séparer le soluté et le solvant par évaporation, sublimation, ajout de précipitant, hydrolyse et d'autres méthodes pour obtenir des particules d'une certaine forme et taille, c'est-à-dire préparer le précurseur de poudre d'Al2O3, et enfin chauffer et décomposer le précurseur.
Premièrement, l'élément aluminium existe dans la solution sous forme ionique et peut être dissous dans des solvants aqueux ou organiques tels que le trichlorométhyle, l'éthanol et le toluène via des sels d'aluminium tels que le sulfate d'aluminium, le sec-butoxyde d'aluminium et le métaaluminate de sodium. Par la suite, les ions aluminium peuvent être déposés et précipités sous forme d'oxydes covalents par des méthodes telles que l'hydrolyse et l'évaporation des sels d'aluminium, ou en utilisant des précipitants tels que le carbonate d'ammonium, l'hydroxyde de sodium, l'urée et l'acide sulfurique. Enfin, le précipité est lavé et séché ou calciné à haute température pour obtenir la forme cristalline d'alumine souhaitée [8-9].
Technologie de pyrolyse par pulvérisation
La technologie de pyrolyse par pulvérisation, également connue sous le nom de technologie de pyrolyse par pulvérisation de flamme, est une méthode de préparation de poudre d'alumine ultrafine à base de gouttelettes d'aérosol de taille micrométrique générées par ultrasons qui sont chauffées et décomposées à 400 degrés ~ 800 degrés. Lainé et coll. [10] a purifié avec succès une poudre d'alumine multiphasée à l'aide de la technologie de pyrolyse par pulvérisation, obtenant ainsi une poudre de nano-alumine de haute -pureté avec une taille de particule de 50 nm à 80 nm et une pureté de phase de -de 50 % à 85 %.
Méthode d'hydrolyse des alcoolates
La méthode d'hydrolyse des alcoolates consiste à préparer une solution à partir d'un sel d'aluminium soluble dans l'eau approprié selon des proportions stoechiométriques, puis à sélectionner un précipitant capable de réagir avec les ions métalliques pour former un précipité, et enfin à chauffer et déshydrater le précipité pour obtenir une poudre ultrafine [11]. Les méthodes courantes d'hydrolyse des alcoxydes comprennent la méthode au sulfate d'aluminium et d'ammonium sans émissions de soufre -- et la méthode au carbonate d'aluminium et d'ammonium, etc. [12-13].
Zhong Lianyun et coll. [14] ont utilisé du nitrate d'aluminium analytiquement pur et du bicarbonate d'ammonium comme principales matières premières pour préparer de la poudre de nano-Al2O3 par la méthode de co-précipitation. La taille moyenne des particules de la poudre de nano-Al2O3 préparée était de 20 nm à 30 nm. L'ajout du tensioactif PEG6000 a amélioré les performances de dispersion de la poudre -Al2O3.
Processus Bayer amélioré
Le procédé Bayer utilise le changement de solubilité de l'oxyde d'aluminium dans une solution alcaline, en utilisant une solution concentrée d'hydroxyde de sodium pour convertir l'hydroxyde d'aluminium en aluminate de sodium, puis en séparant les substances insolubles par précipitation, et enfin en re-précipitant l'hydroxyde d'aluminium par dilution et ajout de germes de cristaux d'hydroxyde d'aluminium, suivis d'un grillage et d'une déshydratation pour obtenir de la poudre d'alumine.
Ces dernières années, grâce au perfectionnement continu du procédé Bayer, de nouvelles méthodes capables de dessiliciation efficace ont été développées [15]. Le procédé Bayer amélioré améliore principalement la préparation de l'hydroxyde de sodium et l'élimination du sodium, effectue la dessilicatation et l'élimination du fer sur l'aluminate de sodium et régule les conditions de décomposition pour obtenir de l'hydroxyde d'aluminium de haute pureté. Au cours de ce processus, l'hydroxyde d'aluminium précipite lentement, réduisant ainsi efficacement l'apparition de noyaux cristallins anormaux et réduisant également l'incorporation d'impuretés de sodium et de silicium. Enfin, l'alumine de haute-pureté est obtenue par calcination et broyage à haute-température.
Sol-Méthode Gel
La méthode sol-gel est une méthode simple et efficace pour synthétiser de la nano-alumine. Contrairement à la méthode de précipitation, qui se transforme initialement en sol et en gel, les sels d'aluminium et les solutions de sels d'amine ou d'ammonium de haute pureté subissent une hydrolyse ou une polymérisation pour former un gel précurseur, qui est ensuite lavé à l'alcool, vieilli et enfin calciné pour obtenir de la poudre d'alumine.
Certains chercheurs ont également apporté des améliorations techniques basées sur la méthode sol-gel traditionnelle. Par exemple, Zhu Zuoyuan [16] a adopté un processus hybride d'hydrolyse d'alcoolate métallique et de méthode sol-gel pour préparer une poudre d'alumine ultrafine de haute-pureté. Tout d'abord, de la poudre d'aluminium d'une pureté supérieure ou égale à 2N a été chauffée pour synthétiser une solution d'alcoolate d'aluminium, les impuretés particulaires insolubles ont été éliminées par microfiltration et après vieillissement, une hydrolyse a été effectuée. Un gel sec a été obtenu par distillation, et enfin une poudre d'alumine de haute -pureté a été obtenue par calcination à haute-température.
Méthode à l'alcoolate d'aluminium
La méthode à l'alcoxyde d'aluminium appartient à l'itération technologique de la méthode d'hydrolyse de l'alcoxyde. Il s'agit d'ajouter des flocons d'aluminium métallique à une solution d'isopropanol pour que la réaction génère de l'isopropoxyde d'aluminium, puis d'hydrolyser l'isopropoxyde d'aluminium pour générer de l'alumine hydratée, et après des étapes telles que le vieillissement, la filtration, le séchage et l'activation de la déshydratation, pour finalement obtenir une poudre d'alumine avec une activité de frittage relativement élevée.
Yang Conglin et coll. [17] ont utilisé de l'aluminium métallique et de l'alcool carboné comme matières premières pour synthétiser de l'alcoxyde d'aluminium de haute -pureté, et ont préparé de l'alumine hydratée par hydrolyse de l'alcoxyde, éliminant le processus de distillation sous vide avec des exigences d'équipement élevées, et ont finalement obtenu une poudre d'alumine ultrafine de haute pureté de qualité 5N-par calcination, avec une pureté de poudre supérieure ou égale à 99,999 % et une taille de particule de 0,1 µm ~ 0,3. µm. La poudre d'alumine préparée par ce procédé présente une pureté élevée et le processus de préparation est simple avec une forte contrôlabilité du produit.
2.2.3 Méthode en phase solide
La méthode en phase solide est une méthode dans laquelle deux poudres ou plus sont mélangées et réagissent directement sous une certaine température et atmosphère pour générer de la nano-alumine.
Méthode de concassage mécanique
La méthode de concassage mécanique utilise divers broyeurs ultrafins (broyeurs à boulets à haute-énergie, broyeurs à boulets planétaires, broyeurs à tour, broyeurs à jet, etc.) pour broyer et broyer directement les matières premières en poudre ultrafine. Parmi eux, les broyeurs à boulets à haute{{3}énergie sont largement utilisés. Ils écrasent mécaniquement la poudre d'alumine dans de l'eau ou de l'alcool pour préparer une poudre d'alumine ultrafine de haute -pureté. Grâce à la vibration et à la rotation du broyeur à boulets, de l'énergie est fournie aux matières premières, ce qui fait que les matières premières sont fortement impactées par des billes dures, broyées en fines particules ou activées pour subir des réactions chimiques, préparant ainsi une poudre ultrafine.
Méthode de détonation
La méthode de détonation peut également être utilisée comme méthode en phase solide-pour préparer de la poudre d'alumine. Cette méthode effectue des réactions de combustion à l'intérieur d'un récipient à volume constant- et génère une grande quantité de gaz. Par conséquent, la réaction instantanée se déroule souvent sous haute pression, supprimant la pression de vapeur saturée des réactifs et augmentant la température de transition de phase sous pression normale, ce qui favorise la formation stable de poudre d'alumine métastable monophasée -. Le procédé de détonation présente des exigences élevées en matière d'équipement de production, un contrôle difficile du processus de production, un faible rendement et un coût de production relativement élevé.
Peng et coll. [18] ont obtenu différents résultats de détonation en contrôlant la valeur du pH du système glycine-nitrate d'aluminium. Les résultats ont montré qu'un environnement alcalin peut contrôler efficacement la taille des grains, réduire la proportion de phases amorphes et augmenter la surface spécifique, tandis qu'une agglomération à des degrés divers se produit dans des environnements dont le pH est inférieur ou égal à 6.
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Résumé
La poudre d'alumine ultrafine de haute-pureté, en raison de ses propriétés physiques et chimiques avancées, a considérablement élargi les scénarios d'application de la poudre d'alumine et constitue une matière première clé dans la fabrication de pointe moderne. À l'heure actuelle, les principales méthodes de production de poudre d'alumine ultrafine de haute-pureté en Chine présentent des inconvénients tels que des processus complexes, un contrôle difficile des conditions techniques, des coûts élevés et une pollution grave. Avec le développement continu de l'économie chinoise, la demande d'alumine ultrafine de haute pureté continuera d'augmenter, et les exigences futures en matière de précision des équipements, de processus de préparation, de technologie de contrôle, d'économie d'énergie et de protection de l'environnement deviendront également de plus en plus élevées.