一種氧化鋁/鋁複合微細粉體的製備方法與流程
2023-07-02 21:17:21 2
本發明涉及一種氧化鋁/鋁複合微細粉體的製備方法，屬於複合材料領域。
背景技術：
氧化鋁/鋁複合材料具有高的比強度、高的比剛度、高的耐磨性和低的熱膨脹係數等一系列優良的性能，廣泛應用於生產、生活的各個方面，而氧化鋁的形態、粒徑和分布對於複合材料的性能具有重要的影響。
採用細顆粒或超細顆粒氧化鋁增強體，可顯著改善複合材料的綜合性能，超細氧化鋁粉體的製備方法有很多，如碳酸鋁銨分解法、硫酸鋁銨分解法、氯化汞活化水解法、有機鋁水解法、活性鋁粉水解法、等離子體法、電化學法等，普遍具有原料貴、工藝流程複雜的特點，而且生產過程往往伴隨著大量廢氣、廢液的產生，因此採用現有技術生產的超細氧化鋁粉體作為複合材料的增強體需要較高的成本。
技術實現要素：
本發明製備出一種粉體，以該粉體代替氧化鋁粉體作為鋁的增強體，製備氧化鋁/鋁複合材料，能夠降低成本。
本發明提供一種氧化鋁/鋁複合微細粉體的製備方法，具體步驟如下：
（1）將氧化鋁原料和鋁原料以任意比例混合得到混合原料；
（2）將步驟（1）的混合原料置於真空爐的反應容器中，反應容器上連接冷凝裝置，將真空爐抽真空至低於5Pa，反應容器升溫至1200℃-1600℃，保溫30-60分鐘，保溫過程中持續抽真空，反應容器中的氧化鋁與鋁反應生成氧化亞鋁氣體，鋁蒸發形成鋁氣體，氧化亞鋁與鋁氣體在持續抽真空的作用下，上升到冷凝裝置，當冷凝裝置的溫度為660℃-1100℃時，氧化亞鋁氣體發生歧化反應，生成的氧化鋁為固體粉末，生成的鋁和鋁蒸氣冷凝為液態鋁珠；當冷凝裝置的溫度低於660℃時，氧化亞鋁氣體發生分解反應，生成的氧化鋁和鋁為固體粉末，鋁蒸氣冷凝為固體鋁粉；
（3）保溫完成後真空爐開始降溫，溫度降至室溫後，停止抽真空，打開真空爐，冷凝裝置上得到氧化鋁/鋁複合微細粉體。
步驟（1）氧化鋁原料中的氧化鋁含量高於80%，所述鋁原料中的鋁含量高於95%。
所述反應容器內的殘渣及反應容器壁上的冷凝物可以作為原料被再次利用。
本發明的製備原理如下：
真空條件下，氧化鋁和鋁原料在高溫下發生反應（1）生成氣態氧化亞鋁Al2O，同時鋁蒸發為鋁蒸氣，氧化亞鋁和鋁氣體進入到低溫冷凝區，氧化亞鋁發生歧化反應（2）形成氧化鋁和鋁，與鋁蒸氣同時冷凝下來，形成了氧化鋁/鋁複合粉體，並可以通過控制冷凝溫度來控制氧化鋁/鋁複合粉體的粒徑。
本發明的有益效果：
（1）氧化鋁原料和鋁原料中常見的雜質元素幾乎不會隨Al2O和Al氣體進入到冷凝區，所以可以用不純的氧化鋁和鋁作為原料，原材料廉價，還可以回收利用廢棄物。
（2）本發明複合微細粉體的粒度可控，通過控制氧化亞鋁的冷凝歧化溫度可以得到微米、亞微米級的複合粉體。
（3）該複合微細粉體可代替氧化鋁粉添加到鋁基體中製備氧化鋁/鋁複合材料，理論上能改善氧化鋁的分散性。
（4）本發明工藝簡單、環保，無廢氣、廢液產生。
附圖說明
圖1是本發明實施例所採用的真空爐的結構示意圖；
圖2是本發明實施例1製得的氧化鋁/鋁複合微細粉體的XRD衍射圖；
圖3是本發明實施例1製得的氧化鋁/鋁複合微細粉體的SEM圖像；
圖4是本發明實施例2製得的氧化鋁/鋁複合微細粉體的XRD衍射圖；
圖5是本發明實施例2製得的氧化鋁/鋁複合微細粉體的SEM圖像；
圖6是本發明實施例3製得的氧化鋁/鋁複合微細粉體的XRD衍射圖；
圖7是本發明實施例3製得的氧化鋁/鋁複合微細粉體的SEM圖像；
圖8是本發明實施例4製得的氧化鋁/鋁複合微細粉體的XRD衍射圖；
圖9是本發明實施例4製得的氧化鋁/鋁複合微細粉體的SEM圖像；
圖1中，1-水冷電極，2-石墨電極底座，3-石墨電極發熱體，4-隔熱層，5.-高純氧化鋁坩堝，6-高純氧化鋁冷凝盤，7-真空抽氣口。
具體實施方式
圖1為本發明實施例所使用的真空爐的結構示意圖，結合真空爐通過實施例對本發明作進一步說明，但本發明保護範圍不局限於所述內容。
實施例1
本實施例所述氧化鋁/鋁複合微細粉體的製備方法，具體步驟如下：
（1）將工業級氧化鋁粉和工業級鋁粉按照質量比為1∶1進行混合，得到氧化鋁粉和鋁粉混合物；
（2）將步驟（1）的混合物置於真空爐的反應容器-高純氧化鋁坩堝5中，高純氧化鋁坩堝5連接冷凝裝置-高純氧化鋁冷凝盤6，從真空抽氣口7將真空爐抽真空到壓力為1Pa，通過水冷電極1通電流到石墨電極底座2，使連接在石墨電極底座2上的石墨電極發熱體3發熱，加熱工作區中的高純氧化鋁坩堝5升溫至1200℃，隔熱層4減少熱量的散失，保溫60分鐘，保溫過程中持續抽真空，通過調整高純氧化鋁冷凝盤6與高純氧化鋁坩堝5之間的距離控制高純氧化鋁冷凝盤6的溫度為650℃；
高純氧化鋁坩堝5中氧化鋁與鋁反應形成氧化亞鋁氣體，鋁蒸發形成的鋁氣體，氧化亞鋁和鋁氣體上升到高純氧化鋁冷凝盤6，氧化亞鋁氣體發生歧化反應，生成固態氧化鋁粉末和固態鋁粉末，鋁蒸氣也冷凝為固態鋁粉末；
（3）保溫完成後真空爐開始降溫，溫度降至室溫後，停止抽真空，打開真空爐，高純氧化鋁冷凝盤6中得到氧化鋁/鋁複合微細粉體，高純氧化鋁坩堝5中有反應殘渣，高純氧化鋁坩堝5壁上也有少量由氧化鋁和鋁組成的冷凝物。
圖2為本實施例製備得到的氧化鋁/鋁複合微細粉體的XRD衍射譜，從圖2可見，複合粉體由鋁、過渡態氧化鋁和α-氧化鋁組成；圖3為本實施例氧化鋁/鋁複合微細粉體的SEM像，從圖3可見，粉體由均勻的近似球形的微粒組成，平均粒徑小於0.5μm。
實施例2
本實施例所述氧化鋁/鋁複合微細粉體的製備方法，具體步驟如下：
（1）按照質量比為1∶2取工業級氧化鋁粉和鋁含量為98%的廢棄物，含鋁廢棄物進行破碎、研磨處理後與工業級氧化鋁粉混合，得到混合物；
（2）將步驟（1）的混合物置於真空爐的反應容器-高純氧化鋁坩堝5中，高純氧化鋁坩堝5連接冷凝裝置-高純氧化鋁冷凝盤6，從真空抽氣口7將真空爐抽真空到壓力為2Pa，通過水冷電極1通電流到石墨電極底座2，使連接在石墨電極底座2上的石墨電極發熱體3發熱，加熱工作區中的高純氧化鋁坩堝5升溫至1400℃，隔熱層4減少熱量的散失，保溫40分鐘，保溫過程中持續抽真空，通過調整高純氧化鋁冷凝盤6與高純氧化鋁坩堝5之間的距離控制高純氧化鋁冷凝盤6的溫度為950℃；
高純氧化鋁坩堝5中氧化鋁與鋁反應形成氧化亞鋁氣體，鋁蒸發形成鋁氣體，氧化亞鋁和鋁氣體上升到高純氧化鋁冷凝盤6，氧化亞鋁氣體發生歧化反應，歧化生成的氧化鋁為固體粉末，歧化生成的鋁和鋁蒸氣冷凝為液態鋁珠；
（3）保溫完成後真空爐開始降溫，溫度降至室溫後，停止抽真空，打開真空爐，高純氧化鋁冷凝盤6中得到氧化鋁/鋁複合微細粉體，高純氧化鋁坩堝5中有反應殘渣，高純氧化鋁坩堝5壁上也有少量由氧化鋁和鋁組成的冷凝物。
圖4為本實施例製備得到的氧化鋁/鋁複合微細粉體的XRD衍射譜，從圖4可見，複合粉體由鋁和α-氧化鋁組成；圖5為本實施例氧化鋁/鋁複合微細粉體的SEM像，從圖5可見，鋁的形態為大小不一的鋁珠，鋁珠的最大直徑約為20μm，氧化鋁形狀不規則，多為片狀、塊狀，平均粒徑小於5μm，部分氧化鋁粉包裹在鋁珠外面。
以本實施例2製得的複合粉體為添加劑，製備氧化鋁增強鋁基複合材料，按照最終產品中氧化鋁質量比為10%，與分析純鋁粉配比，球磨機球磨2小時，10MPa冷壓成型，690℃下真空燒結1小時，85MPa、550℃下熱壓20分鐘，得到的複合材料拉伸強度為116MPa，延伸率為10.6%。
實施例3
本實施例所述氧化鋁/鋁複合微細粉體的製備方法，具體步驟如下：
（1）按照氧化鋁含量為90%的廢棄物和工業級氧化鋁粉的總質量與工業級鋁粉的質量的比例為3：2，含氧化鋁廢棄物進行破碎、研磨處理後與工業級鋁粉、工業級氧化鋁粉一起混合，得到混合物；
（2）將步驟（1）的混合物置於真空爐的反應容器-高純氧化鋁坩堝5中，高純氧化鋁坩堝5連接冷凝裝置-高純氧化鋁冷凝盤6，從真空抽氣口7將真空爐抽真空到壓力為3Pa，通過水冷電極1通電流到石墨電極底座2，使連接在發熱體底座2上的石墨電極發熱體3發熱，加熱工作區中的高純氧化鋁坩堝5升溫至1600℃，隔熱層4減少熱量的散失，保溫30分鐘，保溫過程中持續抽真空，通過調整高純氧化鋁冷凝盤6與高純氧化鋁坩堝5之間的距離控制高純氧化鋁冷凝盤6的溫度為1100℃；
高純氧化鋁坩堝5中氧化鋁與鋁反應形成氧化亞鋁氣體，鋁蒸發形成鋁氣體，氧化亞鋁和鋁氣體上升到高純氧化鋁冷凝盤6，氧化亞鋁氣體發生歧化反應，歧化生成的氧化鋁為固體粉末，歧化生成的鋁和鋁蒸氣冷凝為液態鋁珠；
（3）保溫完成後真空爐開始降溫，溫度降至室溫後，停止抽真空，打開真空爐，高純氧化鋁冷凝盤6中得到氧化鋁/鋁複合微細粉體，高純氧化鋁坩堝5中有反應殘渣，高純氧化鋁坩堝5壁上也有少量由氧化鋁和鋁組成的冷凝物。
圖6為本實施例製備得到的氧化鋁/鋁複合微細粉體的XRD衍射譜，從圖6可見，複合粉體由鋁和α-氧化鋁組成；圖7為本實施例氧化鋁/鋁複合微細粉體的SEM像，從圖7可見，鋁的形態為大小不一的鋁珠，鋁珠的最大直徑約為25μm，氧化鋁形狀不規則，多為片狀、塊狀，平均粒徑小於5μm，部分氧化鋁粉包裹在鋁珠外面。
實施例4
本實施例所述氧化鋁/鋁複合微細粉體的製備方法，具體步驟如下：
（1）按照質量比為2∶5取氧化鋁含量為85%的廢棄物和鋁含量為96%的廢棄物，含氧化鋁廢棄物和含鋁廢棄物進行破碎、研磨處理後混合，得到混合物；
（2）將步驟（1）的混合物置於真空爐的反應容器-高純氧化鋁坩堝5中，高純氧化鋁坩堝5連接冷凝裝置-高純氧化鋁冷凝盤6，從真空抽氣口將真空爐抽真空到壓力為4Pa，通過水冷電極1通電流到石墨電極底座2，使連接在石墨電極底座2上的石墨電極發熱體3發熱，加熱工作區中的高純氧化鋁坩堝5升溫至1300℃，隔熱層4減少熱量的散失，保溫50分鐘，保溫過程中持續抽真空，通過調整高純氧化鋁冷凝盤6與高純氧化鋁坩堝5之間的距離控制高純氧化鋁冷凝盤6的溫度為800℃；
高純氧化鋁坩堝5中氧化鋁與鋁反應形成氧化亞鋁氣體，鋁蒸發形成鋁氣體，氧化亞鋁和鋁氣體上升到高純氧化鋁冷凝盤6，氧化亞鋁氣體發生歧化反應，歧化生成的氧化鋁為固體粉末，歧化生成的鋁和鋁蒸氣冷凝為液態鋁珠；
（3）保溫完成後真空爐開始降溫，溫度降至室溫後，停止抽真空，打開真空爐，高純氧化鋁冷凝盤6中得到氧化鋁/鋁複合微細粉體，高純氧化鋁坩堝5中有反應殘渣，高純氧化鋁坩堝5壁上也有少量由氧化鋁和鋁組成的冷凝物。
圖8為本實施例製備得到的氧化鋁/鋁複合微細粉體的XRD衍射譜，如圖8所示，複合粉體由鋁、α-氧化鋁和過渡態氧化鋁組成；圖9為本實施例氧化鋁/鋁複合微細粉體的SEM像，從圖9可見，鋁的形態為大小不一的鋁珠，鋁珠的最大直徑約為10μm，氧化鋁形狀不規則，平均粒徑小於0.1μm，部分氧化鋁粉與鋁粉團聚在一起。