AlON粉末水解行为与机理研究：粒径效应及表面形貌对水解稳定性的影响

推荐：为解决AlON材料在潮湿环境中易水解导致性能劣化的难题，研究人员系统研究了不同粒径AlON粉末（AlON-C～25 μm、AlON-M～1.6 μm、AlON-F～456 nm）的水解行为。发现比表面积和表面形貌（阶梯面/平滑断面/撕裂断面）通过调控Al-N键断裂程度决定水解活性，其中AlON-C因接近理想Al23O27N5化学计量比展现卓越抗水解性。该研究为设计耐水解AlON材料提供了结构调控策略。

　　

铝氧氮化物（AlON）作为一种兼具高强度、高硬度和优异热震性能的新型陶瓷材料，在高温结构件、红外窗口等领域展现出巨大潜力。然而其致命弱点是在潮湿环境中易发生水解反应，生成Al(OH)₃和NH₃，导致材料性能急剧劣化。尽管前人通过表面涂层或元素掺杂等手段提升抗水解性，但这些方法仅治标不治本——既无法揭示水解反应的初始位点与演化规律，也难以从材料本征特性出发实现精准调控。更关键的是，作为块体材料前驱体的AlON粉末，其粒径分布和表面形貌直接影响比表面积、表面能等水解反应驱动力，但现有研究多局限于单一粒径或理想表面模型，缺乏系统性比较。

为破解这一难题，研究人员以α-Al₂O₃和活性炭为原料，通过碳热还原氮化法（CRN）制备出粗颗粒AlON_-C（～25 μm），再经两种球磨工艺分别获得中颗粒AlON_-M（～1.6 μm）和细颗粒AlON_-F（～456 nm）。通过72小时水解实验结合pH监测、XRD和SEM-EDS分析，首次揭示了粒径与表面形貌的协同作用机制。

研究采用三大关键技术：通过CRN法和分级球磨制备多尺度AlON粉末；利用激光粒度仪和BET比表面积测试量化物理特性；采用原位pH监测与显微结构表征关联水解动力学。

3.1 形貌特征分析
AlON_-C呈现完整椭球形颗粒和空心骨架结构，其Al:O:N原子比（42.7:48.9:8.9）最接近理想Al₂₃O₂₇N₅。球磨后AlON_-M和AlON_-F分别产生平滑断面（Al-N占比9.5%）、阶梯面（11.1%）和撕裂断面（12.9%），且后者比表面积增至15.08 m²/g。

3.2 水解特性差异
AlON_-F水解最剧烈，pH升至9.79并出现明显Al(OH)₃衍射峰；AlON_-M次之（pH=8.42）；而AlON_-C保持稳定（pH≈7）。SEM显示水解产物覆盖程度排序为：撕裂断面＞阶梯面＞平滑断面，与局部Al-N键富集程度正相关。

3.3 机理阐释
AlON_-C的抗水解性源于其完美晶体结构和近理想化学计量比。球磨引入的结构缺陷（如断裂面）暴露更多Al-N键（键能低于Al-O键），成为水解反应优先位点。其中撕裂断面因Al-N原子比最高（12.9%）表现出最强水解活性。

这项发表于《Materials》的研究首次建立了AlON粉末"物理特性-水解行为"的定量关系，不仅阐明完整晶体结构对水解稳定性的决定性作用，更提出通过调控粒径和表面形貌设计特定水解活性材料的策略。该发现对开发适用于潮湿环境的AlON基材料具有重要指导意义，为拓展其工程应用提供了理论基础。