阅读说明：本技术 一种硼酸铝晶须及其制备方法和应用 (Aluminum borate whisker and preparation method and application thereof ) 是由 程艳玲 黎可旭 杨盛凯 张海南 魏世宏 林华泰 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于陶瓷材料领域,公开了一种硼酸铝晶须制备方法和应用。该方法是以水合氯化铝和尿素为原料,将氯化铝和尿素分别溶解在甲醇溶剂中,在一定温度加热溶解后,将尿素溶液加入到氯化铝溶液中,获得澄清透明的稳定前驱盐溶液,持续恒温加热搅拌,获得高浓度的前驱盐溶液,将获得的前驱盐溶液用旋涂法涂覆在Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>单晶基底上,放入氮化硼坩埚中,在氮气气氛保护下,在1000℃或1200℃进行煅烧,保温5h,最终在基底表面获得硼酸铝晶须,其相的含量与尿素含量和热处理温度有关。该方法制备工艺简单,生产成本低,所制备硼酸铝晶须的纯度高,形貌可控。可作为塑料、金属和陶瓷等的补强材料,用于航天、航空、建材、汽车等领域。(The invention belongs to the field of ceramic materials, and discloses a preparation method and application of aluminum borate whiskers. The method comprises the steps of taking aluminum chlorohydrate and urea as raw materials, respectively dissolving the aluminum chlorohydrate and the urea in a methanol solvent, heating and dissolving at a certain temperature, adding a urea solution into an aluminum chlorohydrate solution to obtain a clear and transparent stable precursor salt solution, continuously heating and stirring at a constant temperature to obtain a high-concentration precursor salt solution, and coating the obtained precursor salt solution on Al by a spin-coating method 2 O 3 Putting a single crystal substrate into a boron nitride crucible, calcining at 1000 ℃ or 1200 ℃ under the protection of nitrogen atmosphere, and preserving heat for 5 hours to finally obtain the aluminum borate whisker on the surface of the substrate, wherein the phase content of the aluminum borate whisker is related to the urea content and the heat treatment temperature. The method has the advantages of simple preparation process, low production cost, high purity of the prepared aluminum borate whisker and controllable appearance. Can be used as a reinforcing material of plastics, metals, ceramics and the like, and is used in the fields of aerospace, aviation, building materials, automobiles and the like.)

一种硼酸铝晶须及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种硼酸铝晶须及其制备方法和应用。

背景技术

硼酸铝晶须性能稳定、机械性能优越、可适用性大。其耐热温度1200℃，莫氏硬度为7，拉伸强度为7.84GPa，拉伸弹性模量为392GPa。具有高的弹性，良好的机械强度、耐热性、耐化学药品性、耐酸性(在1mol/L盐酸中、70℃下稳定)、电绝缘性和中子吸收性能。可作为塑料、金属和陶瓷等的补强材料，用于航天、航空、建材、汽车等领域；用作增强材料时，对模具磨损小，当硼酸铝含量达到30％时，机械强度可增强1倍以上，而拉伸弹性模量可增大两倍以上。用作轻金属的增强材料，拉伸强度可增强3倍以上；作为塑料补强剂使用时，与玻璃纤维相比，对微小、复杂形状的塑料成型品可以起到补强作用，赋予制品等方向性；亦可作聚碳酸酯树脂的补强材料。硼酸铝晶须还可用于耐火阻燃涂层、催化剂基体材料、电子材料及电磁波屏蔽材料。硼酸铝晶须对中子的吸收能力强，可以防止因核变反应引起的中子辐射，具有很大的开发和应用价值。

硼酸铝晶须的制备方法主要有气相法、熔融法、助融法等。气相法是在1000～1400℃下，将水蒸气通入到气体状态的氟化铝和氧化硼中，得到硼酸铝晶须，该法实验过程操作难度较大；熔融法是将氧化铝与氧化硼在1200～1400℃下反应，氧化硼同时起助熔剂的作用，最终得到硼酸铝晶须，该法只能得到大尺寸的晶须，由于氧化硼同时起助熔剂作用，使生成的晶须熔解，吸收率降低；助融法是在氧化铝和氧化硼中加入助熔剂(如碱金属氯化物、硫酸盐或碳酸盐)，在1000～1200℃下成长为晶须，反应后，用水处理，除去助熔剂，分离出晶须。以上方法都有操作难度较大的缺点。

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种硼酸铝晶须制备方法：该方法是以水合氯化铝和尿素为原料，将氯化铝和尿素分别溶解在甲醇溶剂中，在一定温度加热溶解后，将尿素溶液缓慢加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，持续恒温加热搅拌，获得高浓度的前驱盐溶液，将获得的前驱盐溶液用旋涂法涂覆在Al2O3单晶基底上，放入氮化硼坩埚中，在氮气气氛保护下，分别在1000℃和1200℃进行煅烧，保温5h，最终在基底表面获得硼酸铝晶须。该方法具有原材料易得、廉价、合成温度较低的优势，并且可以获得纯度较高的硼酸铝晶须，不需要后处理。

本发明的再一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的氮化硼晶须，且具有形貌可控和纯度高的优点。

本发明的又一目的在于提供上述硼酸铝晶须的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种硼酸铝晶须的制备方法，包括如下具体制备步骤：

S1.将氯化铝和尿素分别溶解在醇溶剂中，待完全溶解后，边搅拌边将尿素溶液加入到氯化铝溶液中，得到前驱盐溶液；

S2.持续恒温加热搅拌前驱盐溶液，使溶剂蒸发，获得前驱盐浓缩溶液；

S3.将前驱盐浓缩溶液涂覆在清洗过的氧化铝基底上；

S4.将涂覆后的基底放在氮化硼坩埚中，在氮气保护下，升温至1000℃或1200℃，保温，最终得到硼酸铝晶须。

优选地，步骤S1中所述尿素和氯化铝的摩尔比为6：1。

优选地，步骤S1中所述氯化铝与醇溶剂的质量体积比为0.05～0.10g/mL，尿素与醇溶剂的质量体积比为0.05～0.10g/mL。

优选地，步骤S2中所述恒温加热搅拌温度为80℃；所述前驱盐浓缩溶液中铝离子浓度为0.4142mol/L。

优选地，步骤S4中所述升温的速率为5～10℃/min，所述保温的时间为2～5h；所述氮气保护的气氛流速≥0.4L/min。

更加优选地，步骤S4中所述升温的速率为10℃/min，所述保温的时间为5h；所述氮气保护的气氛流速为0.4L/min。

优选地，步骤S4中所述升温是升温至1200℃。

一种由上述制备方法制备得到的硼酸铝晶须。

上述的硼酸铝晶须在制备塑料、金属和陶瓷补强材料中的应用。

上述的硼酸铝晶须在制备耐火阻燃涂层、催化剂基体材料、电子材料及电磁波屏蔽材料中的应用。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明所需要的原料来源于商业购买，都是廉价易得的产品，原材料的安全系数较高。

(2)本发明中涉及到的煅烧仅采用商业常见的管式炉，所需煅烧温度较低，反应过程没有释放有毒产物，没有采用安全系数低的保护气氛或原料。

(3)本发明采用尿素作为结构导向剂，产物的结晶性更好、纯度更高。

(4)本发明采用氮化硼坩埚进行热处理的同时引入了硼源，使操作更加简单。

附图说明

图1为实施例1制备的硼酸铝晶须的XRD图。

图2为实施例1制备的硼酸铝晶须的SEM形貌图。

图3为实施例2制备的硼酸铝晶须的SEM形貌图。

具体实施方法

下面结合

具体实施方式

进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1、以水合氯化铝和尿素为原料，设定尿素/氯化铝摩尔比为6：1，称量水合氯化铝1g(0.0041mol)、尿素1.49g(0.0249mol)，将氯化铝(AlCl₃·6H₂O，99.99％)和尿素(CO(NH₂)₂，99.5％)分别溶解在20ml醇溶剂中，待完全溶解后，边搅拌边将尿素溶液加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，持续恒温(80℃)搅拌至溶液为10ml，获得稳定的前驱盐溶液，其铝离子浓度为0.4142mol/L；

2、将前驱盐浓缩溶液涂覆在氧化铝基底上，放入氮化硼坩埚中，在氮气保护(气氛流速为0.4L/min)下，以10℃/min的速率升温至1000℃，保温5h，获得硼酸铝晶须。

实施例2

1、以水合氯化铝和尿素为原料，设定尿素/氯化铝摩尔比为6：1，称量水合氯化铝1g(0.0041mol)、尿素1.49g(0.0249mol)，将氯化铝(AlCl₃·6H₂O，99.99％)和尿素(CO(NH₂)₂，99.5％)分别溶解在20ml醇溶剂中，待完全溶解后，边搅拌边将尿素溶液加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，持续恒温(80℃)搅拌至溶液为10ml，获得稳定的前驱盐溶液,其铝离子浓度为0.4142mol/L；

2、将前驱盐浓缩溶液涂覆在氧化铝基底上，放入氮化硼坩埚中，在氮气保护(气氛流速为0.4L/min)下，以10℃/min的速率升温至1200℃，保温5h，获得硼酸铝晶须。

图1为实施例1和实施例2制备的硼酸铝晶须的XRD图。X射线衍射图谱中的大峰为基底Al₂O₃的峰，由图分析可知，本方法制备的硼酸铝晶须以Al₁₈B₄O₃₃(9Al₂O₃·2B₂O₃)为主相。

图2和图3分别为实施例1和实施例2制备的硼酸铝晶须的SEM形貌照片。其中图2为实施例1所制得的硼酸铝晶须的SEM形貌图；图3为实施例2所制得的硼酸铝晶须的SEM形貌图。从SEM形貌可以看出来在1000℃和1200℃时都可以制备得到硼酸铝晶须；当保温温度为1000℃时，硼酸铝晶须结晶并不完全；在1200℃时，可以得到完全结晶的硼酸铝晶须。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。