一種批量化製備高純γ-AlON粉末的方法與流程

2023-10-09 18:06:19 3

本發明屬於陶瓷材料技術領域，特別涉及一種批量化製備γ-AlON粉末的方法。

背景技術：

氮氧化鋁（γ-AlON）透明陶瓷具有一系列良好的物理、機械和化學性能，如強度大、硬度高、介電性能優良、耐腐蝕、耐高溫，特別是在紫外區到中紅外波段（波長0.2μm～6.0μm）具有優異的透光性，成為高溫紅外窗、雙模天線罩和防彈裝甲等的優選材料。想要獲得性能優異的AlON透明陶瓷，製備高純、超細和低團聚的γ-AlON陶瓷粉末是其中的關鍵技術之一。

高溫固相反應和還原氮化法是目前研究較多的製備AlON粉體的兩類主要方法。固相反應法雖然工藝簡單，但由於作為原料AlN和Al2O3粉必須高純超細，而目前高純AlN主要依賴進口，價格昂貴。與之相比還原氮化法的主要原料Al2O3性能穩定且價格便宜，還原劑可以是C、Al、NH3、H等，在這些還原劑中，C的產品質量穩定可靠，且以C作為還原劑製備的AlON粉末粒度小，純度高，易實現AlON粉體的批量生產。但是，該方法的關鍵技術是控制Al2O3和還原劑C的配比，當C含量過高則易生成AlN，導致最終產物為AlON和AlN的混合物，當還原劑含量過低，則Al2O3不能完全轉化成AlON相，導致最終產物為AlON和Al2O3的混合物。

目前報導的絕大數碳熱還原製備AlON粉體，均是先將粉體氮化然後進一步升溫至合成溫度，這樣獲得的產物中殘炭非常嚴重，除碳困難，一次顆粒團聚亦嚴重，需長時間研磨並過篩才能達到滿意的顆粒度，且所要求升溫速率太快，由於現實設備的限制，不利於工業化生產。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供一種批量化製備高純γ-AlON粉末的方法，以滿足透明AlON陶瓷的應用要求。

為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種批量化製備高純γ-AlON粉末的方法，包括以下步驟：

（1）球磨混料：將γ-Al2O3粉和活性炭混合，得到混合料，採用溼混球磨工藝充分球磨混合，得均勻的料漿；

（2）乾燥：將球磨得到的料漿烘乾，過篩，得到原料粉末；

（3）粉體氮化：將原料粉末放到石墨坩堝中,將石墨坩堝置於燒結爐中，在流動的氮氣氣氛下進行碳熱還原反應，得到含碳混合粉體；

（4）粉體除碳：將得到的含碳混合粉末置於空氣或富氧氣氛中加熱，保溫4～24h除去殘餘碳，得混合粉末；

（5）粉體合成：將除碳後的混合粉末放到石墨坩堝中置於反應燒結爐中，在氮氣氣氛下進行固相反應，得到γ-AlON陶瓷粉末。

所述步驟（1）中活性炭的質量含量為混合料總質量的5.0%～6.0%。

所述步驟（1）球磨混料過程中，採用高純氧化鋁磨球作為球磨介質，球料質量比2～5:1，按混合粉體質量的1:1～3加入無水乙醇或蒸餾水。

所述步驟（2）乾燥過程的烘乾是將料漿盛放於大底面大敞口玻璃託盤中，並將託盤置於紅外乾燥箱內在80～100℃將物料乾燥2～5h。

所述步驟（2）中的過篩為80～325目篩。

所述步驟（3）中燒結爐的行碳熱還原反應溫度為1500～1600℃。

所述步驟（4）粉體除碳的加熱溫度為500～700℃。

所述步驟（5）燒結爐中固相反應溫度為1650～1800℃。

所述燒結爐中可放置數個石墨坩堝。

步驟（1）按下述方法進行：將γ-Al2O3和活性炭放入聚氨酯球磨罐中，採用高純氧化鋁磨球作為球磨介質，球料比2～5:1，按混合粉體質量的1:1～3加入無水乙醇或蒸餾水。

步驟（2）乾燥過程是將步驟（1）所得料漿盛放於大底面大敞口玻璃託盤中，並將託盤置於紅外乾燥箱內在80～100℃將物料乾燥2～5h，過80～200目篩，得氧化鋁和活性炭混合粉末。使用紅外乾燥使得物料內部的溶劑溼擴散與熱擴散方向一致，加速溶劑的擴散過程，即加速了乾燥過程。大底面大敞口直接放置於紅外裝置正下方，漿料受熱面積大，熱效率高，液體蒸發快，大的敞口使蒸汽易於從託盤中散發出來。本發明採用紅外乾燥並結合大底面大敞口的玻璃託盤大大縮短了乾燥時間，提高了乾燥效率。

步驟（4）中將氮化後的含碳混合粉末置於空氣或富氧氣氛中加熱至500～700℃，保溫4～24h除去殘餘碳，得混合粉末。與現有技術相比，避免進一步升溫加熱，未參加反應的碳包裹於AlON粉末中，導致除碳異常困難，最後得到的AlON粉體不純淨，從而影響透明陶瓷AlON的製備。

步驟（3）和步驟（5）中可將多個石墨坩堝疊放置於燒結爐中。

由於原始反應原料比較蓬鬆，經過高溫燒結後的產物粉體會塌陷，且碳熱還原反應是粉體減小的過程，這必然導致燒結後產物在坩堝中填充量（高度）下降，產能低下，故步驟（5）優選按下述方法進行：將除完碳後的多爐產品合併為一爐燒結，這樣可以大大的提高AlON的產出效率，該舉措非常適合工業化生產需求。

本發明的有益效果是：

1.通過溼法製備的氧化鋁與炭黑混合粉末，混合均勻、碳顆粒與氧化鋁接觸充分，避免了碳顆粒的團聚，有效的降低了第一步氮化反應的溫度（1500～1600℃）；

2. 採用紅外乾燥並結合大底面大敞口的玻璃託盤大大縮短了乾燥時間，提高了乾燥效率；

3.經第一步氮化反應的含碳混合粉末易於在低溫（500～700℃）下去除，保證了最終產品的純度；

4.凡經1650～1800℃合成的γ-AlON陶瓷粉末粒徑均勻、細小，經X射線衍射分析所得產品均為單一γ-AlON相，顆粒粒徑均勻細小（平均粒徑≤2μm）；

5.通過氮化反應除完碳的多批次混合粉末可合併置於1650～1800℃燒結爐中進行燒結合成AlON陶瓷粉末，產能大大提高，非常適合工業化生產的需求。

附圖說明

圖1 實施例1所得粉體SEM圖。

圖2 實施例2所得粉體SEM圖。

圖3實施例3所得粉體SEM圖。

圖4 實施例1、2和3製備粉體XRD譜圖。

具體實施方式

為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的批量化製備高純γ-AlON粉末的方法進行描述，本發明的保護範圍不受以下實施例的限制。

實施例1

選用活性炭質量含量為5.2%的γ-Al2O3粉和活性炭混合粉末，溶劑為蒸餾水，球磨介質為高純氧化鋁磨球，混合粉末: 磨球:水（質量比）=1:2:2，置於球磨機上球磨混合24h，過程中添加聚丙烯酸銨分散劑，調節PH值，最終得到氧化鋁與炭黑穩定的懸浮液。將該懸浮液盛放於大底面大敞口的玻璃託盤中，置於紅外乾燥箱中乾燥3h，過80目篩，得氧化鋁與炭黑的混合粉末。將混合粉末置於一個石墨坩堝中，該石墨坩堝置於石墨反應燒結爐中，在流動的氮氣氣氛下，在1520℃進行碳熱還原反應，過程中升溫速率為10℃/min，保溫4h，得到含碳混合粉體。得到的含碳混合粉體置於空氣中加熱至600℃，保溫6h除去殘餘碳，將除完碳的混合粉體置於石墨反應燒結爐中，在氮氣氣氛下於1700℃進行固相反應，過程中升溫速率為10℃/min，保溫4h,得到γ-AlON陶瓷粉末。經XRD分析可知（圖4），產物為純相γ-AlON。製備γ-AlON粉末的SEM照片如圖1所示，從照片中可以看到合成的粉末粒徑均勻細小、形貌規則、分布均勻、平均粒徑為1μm左右。

實施例2

選用活性炭質量含量為5.6%的γ-Al2O3粉和活性炭混合粉末，溶劑為無水乙醇，球磨介質為高純氧化鋁磨球，混合粉末: 磨球:水（質量比）==1:3:1，置於球磨機上球磨混合24h，得到氧化鋁與炭黑穩定的懸浮液。將該懸浮液盛放於大底面大敞口的玻璃託盤中，置於紅外乾燥箱中乾燥2h，過200目篩，得氧化鋁與炭黑的混合粉末。將混合粉末置於多個石墨坩堝中，石墨坩堝置於石墨反應燒結爐中，在流動的氮氣氣氛下，在1540℃進行碳熱還原反應，過程中升溫速率為10℃/min，保溫6h，得到含碳混合粉體。得到的含碳混合粉體置於空氣中加熱至650℃，保溫6h除去殘餘碳，將除完碳的混合粉末置於多個石墨坩堝中，於石墨反應燒結爐中，氮氣氣氛下1740℃進行固相反應，過程中升溫速率為10℃/min，保溫4h,得到γ-AlON陶瓷粉末。經XRD分析可知（圖4），每個坩堝產物均為純相γ-AlON。製備γ-AlON粉末的SEM照片如圖2所示，平均粒徑為1μm左右。

實施例3

選用活性炭質量含量為6.0%的γ-Al2O3粉和活性炭混合粉末，溶劑為蒸餾水，球磨介質為高純氧化鋁磨球，混合粉末: 磨球:水（質量比）==1:4:3，置於球磨機上球磨混合48h，過程中添加聚丙烯酸銨分散劑，調節PH值，最終得到氧化鋁與炭黑穩定的懸浮液。將該懸浮液盛放於大底面大敞口的玻璃託盤中，置於紅外乾燥箱中乾燥5h，過200目篩，得氧化鋁與炭黑的混合粉末。將混合粉末置於多個石墨坩堝中，石墨坩堝置於石墨反應燒結爐中，在流動的氮氣氣氛下，在1560℃進行碳熱還原反應，過程中升溫速率為10℃/min，保溫6h，得到含碳混合粉體。得到的含碳混合粉體置於空氣中加熱至700℃，保溫10h除去殘餘碳。重複上述步驟，再得一批1560℃燒結除碳粉體，將兩爐粉體合併置於多個石墨坩堝中，於石墨反應燒結爐中，氮氣氣氛下1780℃進行固相反應，過程中升溫速率為5℃/min，保溫6h,得到γ-AlON陶瓷粉末。經XRD分析可知（圖4），所有坩堝內產物均為純相γ-AlON。製備γ-AlON粉末的SEM照片如圖3所示，平均粒徑為2μm左右。