專利名稱：一種制備高純AlON粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種AlON粉體的制備方法，具體說(shuō)，是涉及一種制備高純AlON粉體的方法，屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
透明A10N(即氧氮化鋁固溶體)陶瓷具有一系列優(yōu)異的機(jī)械和光學(xué)性能，如高的強(qiáng)度、硬度和耐化學(xué)腐蝕性，以及從紫外到中紅外波段的良好光學(xué)透過(guò)性，作為長(zhǎng)壽命光電窗口等在現(xiàn)代國(guó)防領(lǐng)域存在著廣闊的應(yīng)用前景。但是，受原料粉體的限制，透明AlON陶瓷難燒結(jié)，燒結(jié)溫度通常高達(dá)1950 2000°C，如此苛刻的燒結(jié)條件不僅對(duì)燒結(jié)設(shè)備提出了很高的要求，而且增加了材料的制備成本，并且高溫下陶瓷體內(nèi)部晶粒的過(guò)分長(zhǎng)大也不利于材料力學(xué)性能和應(yīng)用可靠性的提高。根據(jù)反應(yīng)原理的不同，目前存在多種AlON制備途徑，其中Al2O3AlN固相反應(yīng)法和A1203/C碳熱還原法因工藝簡(jiǎn)單且所制備的粉體純度高等優(yōu)點(diǎn)作為AlON粉體制備的主要方法而被廣泛應(yīng)用。但由于AlON在1640°C以下熱力學(xué)不穩(wěn)定，受該因素的制約其制備溫度必須要達(dá)到1640°C以上，這在一定程度上影響了 AlON粉體的制備。而更為重要的是，在常規(guī)固相反應(yīng)法和碳熱還原法制備高純AlON粉體時(shí)，由于原料粉體中AlN或C的含量相對(duì)較少，通過(guò)機(jī)械混合的方式，即使原料粉體中各組分達(dá)到了高度均勻的混合也很難實(shí)現(xiàn)易燒結(jié)性Al2O3顆粒被難燒結(jié)性AlN或C顆粒的充分有效隔離。上述因素極易導(dǎo)致原料粉體中相鄰Al2O3顆粒在AlON制備過(guò)程的高溫階段發(fā)生局部燒結(jié)和優(yōu)先匯聚長(zhǎng)大并促使AlON的制備溫度進(jìn)一步升高。基于以上原因，目前固相反應(yīng)法和碳熱還原法制備高純AlON粉體的溫度一般都高達(dá)1800°C左右，即使以納米粉體為原料其制備溫度也在1700°C以上，有時(shí)甚至同樣達(dá)到1800°C ；并且所得AlON粉體顆粒粗大，通常在幾個(gè)微米甚至十幾微米，這嚴(yán)重影響了材料的燒結(jié)。因此，如何制備高純、低團(tuán)聚、粒徑較小的AlON粉體已成為透明AlON陶瓷發(fā)展過(guò)程中急待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種制備高純AlON粉體的方法，以滿足透明AlON陶瓷材料的應(yīng)用要求。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種制備高純AlON粉體的方法，是首先將納米Al2O3粉體分散于溶劑中，然后加入熱固性樹脂的聚合單體，使聚合單體在Al2O3顆粒表面進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，生成樹脂聚合物包覆Al2O3顆粒的復(fù)合前驅(qū)體，再對(duì)所述復(fù)合前驅(qū)體在惰性氣氛中于800 1100°C進(jìn)行熱解反應(yīng)，最后在氮?dú)夥障掠?680 1750°C進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)。所述的熱固性樹脂優(yōu)選為脲醛樹脂或酚醛樹脂。作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，當(dāng)所述的熱固性樹脂為脲醛樹脂時(shí)，制備高純AlON粉體的方法，包括如下具體步驟
a)將納米Al2O3粉體在分散劑作用下分散于溶劑中；b)依次加入尿素、甲醛和適量的稀鹽酸，使體系的PH值達(dá)到2 3 ；c)加熱到回流，并進(jìn)行回流反應(yīng)5 8小時(shí)，致使甲醛和尿素在鹽酸的催化作用下充分聚合形成脲醛樹脂，實(shí)現(xiàn)脲醛樹脂對(duì)Al2O3顆粒的原位包覆，得到樹脂聚合物包覆Al2O3顆粒的復(fù)合前驅(qū)體；d)進(jìn)行真空干燥后，在惰性氣氛中于800 1100°C進(jìn)行熱解反應(yīng)，得到A1203/C復(fù)合粉體；e)將得到的A1203/C復(fù)合粉體在氮?dú)夥障掠?680 1750°C進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，即得所述的高純AlON粉體。所述的納米Al2O3粉體優(yōu)選粒徑為20 IOOnm的γ _Α1203。所述的納米Al2O3粉體在溶劑中的質(zhì)量濃度優(yōu)選為0. 05 0. 5g/mL。所述的溶劑優(yōu)選為水。所述的納米Al2O3粉體與樹脂聚合物的質(zhì)量比優(yōu)選為0.9 1 1.1 1。所述的惰性氣氛為氮?dú)夥栈驓鍤夥?。所述的分散劑?yōu)選為聚丙烯酸銨。步驟d)中的真空干燥溫度優(yōu)選為100 130°C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)熱固性樹脂在Al2O3顆粒表面進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，生成樹脂聚合物包覆Al2O3顆粒的復(fù)合前驅(qū)體。該獨(dú)特結(jié)構(gòu)不僅可以使得有機(jī)高聚物的熱解碳對(duì)Al2O3顆粒實(shí)現(xiàn)良好的包覆隔離，而且可以顯著提高熱解碳與Al2O3顆粒的接觸面積和混合均勻度，這對(duì)阻止碳熱還原過(guò)程中Al2O3顆粒間的局部燒結(jié)和匯聚長(zhǎng)大，從而降低AlON粉體的制備溫度及其顆粒尺寸和團(tuán)聚度具有重要作用。相較于常規(guī)碳熱還原法，由本發(fā)明方法制備的AlON粉體純度更高，粉體顆粒尺寸更小(不超過(guò)1 μ m)。


圖1為實(shí)施例1中制備的A1203/C復(fù)合粉體的透射電鏡照片，其中(a)表示復(fù)合粉體的總體形貌照片；(b)和(c)均表示復(fù)合粉體中孤立的Al2O3顆粒的高分辨透射電鏡照片；圖2為實(shí)施例1中在不同碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的XRD圖譜；圖3為實(shí)施例1中在1700°C的碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的掃描電鏡照片和粒度分布圖；圖4為實(shí)施例1中在1720°C的碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的掃描電鏡照片和粒度分布圖；圖5為實(shí)施例2中在不同碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的XRD圖譜；圖6為實(shí)施例2中在1700°C的碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的掃描電鏡照片和粒度分布圖；圖7為實(shí)施例2中在1720°C的碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的掃描電鏡照片和粒度分布圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說(shuō)明。實(shí)施例1a)以聚丙烯酸銨為分散劑將50克納米、-Al2O3 (20nm)分散到500ml蒸餾水中；b)依次加入21. 9克尿素、21. 6克甲醛和適量的稀鹽酸，使系統(tǒng)的pH值為2 3，加熱到回流，并進(jìn)行回流反應(yīng)5小時(shí)，使甲醛和尿素在鹽酸的催化作用下聚合形成脲醛樹脂，實(shí)現(xiàn)脲醛樹脂對(duì)Al2O3顆粒的原位包覆；c)將制得的脲醛樹脂/Al2O3復(fù)合前驅(qū)體懸浮液于120°C進(jìn)行真空干燥5小時(shí)，然后在氬氣氛下于800°C熱解反應(yīng)2小時(shí)，使脲醛樹脂原位熱解為C ；此時(shí)所得A1203/C復(fù)合粉體的C含量約為5. 4wt% ；d)將制得的A1203/C復(fù)合粉體分為3等份，分別在氮?dú)夥障掠?680°C、1700°C、1720°C進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)3小時(shí)。圖1為本實(shí)施例中制備的A1203/C復(fù)合粉體的透射電鏡照片，其中(a)表示復(fù)合粉體的總體形貌照片；(b)和(c)均表示復(fù)合粉體中孤立的Al2O3顆粒的高分辨透射電鏡照片；由圖1可見復(fù)合粉體中的Al2O3顆粒呈明顯的核-殼結(jié)構(gòu)，說(shuō)明脲醛樹脂對(duì)納米Al2O3顆粒實(shí)現(xiàn)了良好的表面包覆。圖2為本實(shí)施例中在不同碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的XRD圖譜；由圖2可見在碳熱還原溫度為1680°C下制得的AlON粉體中存在有微量的Al2O3和AlN雜質(zhì)相；當(dāng)碳熱還原溫度> 1700°C時(shí)，粉體中幾乎全部為AlON相，制得的AlON粉體的純度很高。圖3為本實(shí)施例中在1700°C的碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的掃描電鏡照片和粒度分布圖；圖4為本實(shí)施例中在1720°C的碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的掃描電鏡照片和粒度分布圖；由圖3和圖4均可見所制得的高純AlON粉體的團(tuán)聚度低，分散性好；且粉體的顆粒粒徑均呈雙峰分布特征，且最大粒徑不超過(guò)1 μ m，粉體粒徑可達(dá)到納米級(jí)。實(shí)施例2a)以聚丙烯酸銨為分散劑將50克納米、-Al2O3 (20nm)分散到500ml蒸餾水中；b)依次加入26. 3克尿素、25. 9克甲醛和適量的稀鹽酸，使系統(tǒng)的pH值為2 3，加熱到回流，并進(jìn)行回流反應(yīng)5小時(shí)，使甲醛和尿素在鹽酸的催化作用下聚合形成脲醛樹脂，實(shí)現(xiàn)脲醛樹脂對(duì)Al2O3顆粒的原位包覆；c)將制得的脲醛樹脂/Al2O3復(fù)合前驅(qū)體懸浮液于120°C進(jìn)行真空干燥5小時(shí)，然后在氬氣氛下于800°C熱解反應(yīng)2小時(shí)，得到C含量約為6. 5wt%的A1203/C復(fù)合粉體；d)將制得的A1203/C復(fù)合粉體分為3等份，分別在氮?dú)夥障掠?680°C、1700°C、1720°C進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)3小時(shí)。圖5為本實(shí)施例中在不同碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的XRD圖譜；由圖5可見在碳熱還原溫度為1680°C及1700°C下制得的AlON粉體中均存在有微量的Al2O3和AlN雜質(zhì)相；當(dāng)碳熱還原溫度為1720°C時(shí)，粉體中幾乎全部為AlON相，制得的AlON粉體的
純度很高。圖6為本實(shí)施例中在1700°C的碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的掃描電鏡照片和粒度分布圖；圖7為本實(shí)施例中在1720°C的碳熱還原溫度下制得的高純AlON粉體的掃描電鏡照片和粒度分布圖；由圖6和圖7均可見所制得的高純AlON粉體的團(tuán)聚度低，分散性好；且粉體的顆粒粒徑均呈雙峰分布特征，且最大粒徑不超過(guò)1 μ m，粉體粒徑可達(dá)到納米級(jí)。 最后有必要在此指出的是以上實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種制備高純AlON粉體的方法，其特征在于是首先將納米Al2O3粉體分散于溶劑中，然后加入熱固性樹脂的聚合單體，使聚合單體在Al2O3顆粒表面進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，生成樹脂聚合物包覆Al2O3顆粒的復(fù)合前驅(qū)體，再對(duì)所述復(fù)合前驅(qū)體在惰性氣氛中于800 1100°C進(jìn)行熱解反應(yīng)，最后在氮?dú)夥障掠?680 1750°C進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于所述的熱固性樹脂為脲醛樹脂或酚醛樹脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于，當(dāng)所述的熱固性樹脂為脲醛樹脂時(shí)，制備高純AlON粉體的方法包括如下具體步驟a)將納米Al2O3粉體在分散劑作用下分散于溶劑中；b)依次加入尿素、甲醛和適量的稀鹽酸，使體系的pH值達(dá)到2 3；c)加熱回流，并進(jìn)行回流反應(yīng)5 8小時(shí)，致使甲醛和尿素在鹽酸的催化作用下充分聚合形成脲醛樹脂，實(shí)現(xiàn)脲醛樹脂對(duì)Al2O3顆粒的原位包覆，得到樹脂聚合物包覆Al2O3顆粒的復(fù)合前驅(qū)體；d)進(jìn)行真空干燥后，在惰性氣氛中于800 1100°C進(jìn)行熱解反應(yīng)，得到A1203/C復(fù)合粉體；e)將得到的A1203/C復(fù)合粉體在氮?dú)夥障掠?680 1750°C進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，即得所述的高純AlON粉體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于所述的納米Al2O3粉體是粒徑為20 IOOnm的y -Al2O30
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于所述的納米Al2O3粉體在溶劑中的質(zhì)量濃度為0. 05 0. 5g/mL。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于所述的溶劑為水。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于所述的納米Al2O3粉體與樹脂聚合物的質(zhì)量比為0.9 1 1. 1 1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于所述的惰性氣氛為氮?dú)夥栈驓鍤夥铡?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于所述的分散劑為聚丙烯酸銨。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備高純AlON粉體的方法，其特征在于步驟d)中的真空干燥溫度為100 130°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備高純AlON粉體的方法，是首先將納米Al2O3粉體分散于溶劑中，然后加入熱固性樹脂的聚合單體，使聚合單體在Al2O3顆粒表面進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，生成樹脂聚合物包覆Al2O3顆粒的復(fù)合前驅(qū)體，再對(duì)所述復(fù)合前驅(qū)體在惰性氣氛中于800～1100℃進(jìn)行熱解反應(yīng)，最后在氮?dú)夥障掠?680～1750℃進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)。本發(fā)明可以顯著提高熱解碳與Al2O3顆粒的接觸面積和混合均勻度，阻止碳熱還原過(guò)程中Al2O3顆粒間的局部燒結(jié)和匯聚長(zhǎng)大，從而降低了AlON粉體的制備溫度及其顆粒尺寸和團(tuán)聚度，所制備的AlON粉體純度高，粉體顆粒尺寸不超過(guò)1μm。
文檔編號(hào)C01F7/00GK102557087SQ20111042207
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者孫靜, 靳喜海, 高濂 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所