CN101429031A

CN101429031A - 一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法

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Publication number: CN101429031A
Application number: CNA200810229583XA
Authority: CN
Inventors: 张宁
Original assignee: Shenyang University
Current assignee: Shenyang University
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: CN101429031B

Abstract

一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法，分为：(1)配料；(2)制备氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体；(3)合成AlN粉体；(4)脱碳处理等4个步骤，主要原料是蔗糖、硝酸铝、丙烯酰胺、N，N’－亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵。本发明的关键是通过高分子聚合反应形成高分子网络结构。本发明具有粒度细小、纯度高和成本低的特点，适宜工业化大规模生产。

Description

一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法

技术领域：

本发明涉及一种无机非金属材料技术领域氮化铝(AlN)陶瓷粉体的制备方法，特别是高纯超细氮化铝(AlN)陶瓷粉体的高分子网络制备方法。

背景技术：

氮化铝(AlN)陶瓷粉体的制备方法已有很长的历史，到目前为止，人们已经掌握了多种制备氮化铝(AlN)陶瓷粉体的制备方法。例如，碳热还原法、高能球磨法、溶胶—凝胶法、化学气相沉积法等。

碳热还原法是以超细Al₂O₃陶瓷粉体和炭黑为原料，经过机械球磨混料，在流动氮气氛中，于1400～1800℃，利用C还原Al₂O₃，被还原出的Al再与流动状态下的氮气反应生成AlN陶瓷粉体。但是，机械球磨混料方法难以使原料混合均匀，原子扩散路径长，往往需要较高的合成温度，不能保证获得超细氮化铝(AlN)陶瓷粉体。高能球磨法是利用球磨机的高速转动或强烈振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，使粉末由粗颗粒粉碎成细颗粒的方法。例如，近期发展起来的机械力活化合成法，作为高能球磨法的一个分支在氮化铝(AlN)陶瓷粉体制备方面取得了一定的成效。机械力活化合成法是通过高能球磨法活化Al₂O₃陶瓷粉体，降低碳热还原反应温度，缩短反应时间，从而获得氮化铝(AlN)陶瓷粉体。但是，这种方法存在的主要问题是容易对氮化铝(AlN)陶瓷粉体造成严重的二次污染，不能保证氮化铝(AlN)陶瓷粉体的纯度。溶胶凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成氧化物或其他固体化合物的方法。目前国内外学者已经成功地运用溶胶一凝胶技术制备了氮化铝(AlN)陶瓷粉体。但是，这种方法只适用于实验室，因为从溶胶→凝胶→干凝胶需要很长的时间，而且铝源和碳源材料的比重不同，在烘干过程中易出现分层现象，为此不适宜大批量工业化规模生产。化学气相沉积法是20世纪80年代后期发展起来的方法，该方法是在远高于理论反应温度，利用铝的挥发性化合物与氨气或氮气发生反应，并从气相中沉淀析出氮化铝(AlN)陶瓷粉体的一种方法，这种反应原料的价格昂贵，也无法适应大规模的生产要求。因此，上述几种方法的缺陷是：粉体粒度粗、纯度低和成本高，因而不适宜工业化大规模生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法，该方法具有粒度细小、纯度高和成本低的特点，适宜工业化大规模生产。

本发明是通过如下技术方案实现：

一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法为：

1、配料：称取适量的蔗糖〔C₁₂H₂₂O₁₁〕和硝酸铝〔Al(NO₃)₃.9H₂O〕粉体，其中，蔗糖的质量百分数为30～40％，硝酸铝的质量百分比为70～60％。再称量适量的去离子水，待用。称取适量的丙烯酰胺〔C₃H₅NO〕、N，N’亚甲基丙烯酰胺〔C₇H₁₀N₂O₂〕和过硫酸铵〔(NH₄)₂S₂O₈〕，其中，丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵的质量百分比为(5～25):1:(1～4)。再称取适量的氨水，待用。

2、制备氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体：将上述已称取的硝酸铝粉体，放入烧杯中，加入适量的去离子水，搅拌，配制成0.3-0.5mol/L浓度的硝酸铝溶液。再将已称取的蔗糖放入硝酸铝溶液中，搅拌，使蔗糖溶解，形成硝酸铝和蔗糖的混合液体。向硝酸铝和蔗糖的混合液体中，按照步骤1给出的配比，依次加入丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵，进行搅拌，使它们溶解在硝酸铝和蔗糖的混合液体中，形成硝酸铝、蔗糖、丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵的混合溶液。然后，利用冰水使该混合溶液的温度降到10℃以下，再向该混合溶液中滴入氨水溶液，同时继续搅拌，待该混合溶液的pH值达到9以后，停止氨水的滴入。继续搅拌2小时后，将该混合溶液倒入反应釜中，再加热到65℃，保温2～3小时，使其发生聚合反应，形成高分子网络结构，之后倒入托盘中，放入60℃的烘干箱中烘干，烘干后取出，再放入箱式电阻炉中300℃加热处理1小时，使水分蒸发和有机物分解之后取出，即可获得氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体。

3、合成AlN粉体：将上述氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体放入石墨推舟内，再将石墨推舟放入碳管炉中加热，使其合成出氮化铝(AlN)陶瓷粉体；加热合成时要先用真空泵把碳管炉炉膛中的空气抽出，再通入氮气；氮气流量为1.5L/min，加热合成温度为1450—1600℃，合成保温时间为60—120min；升温速度为10℃/min。

4、脱碳处理：合成结束后，将得到的产物氮化铝(AlN)陶瓷粉体放入电阻炉中，于650℃下保温60-180min，便可除去残留的碳。

本发明具有如下优点：

本发明所采用的主要原料是蔗糖、硝酸铝、丙烯酰胺、N，N’-亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵。本发明的关键是通过高分子聚合反应形成高分子网络结构。在丙烯酰胺、N，N’-亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵发生高分子聚合反应之前，尚未形成高分子网络结构，这时可以起到粉体均匀分散的目的；在发生高分子聚合反应之后，形成高分子网络结构，可以使Al₂O₃粉体和蔗糖达到均匀混合、大幅度降低氮化铝(AlN)陶瓷粉体合成温度，达到细化氮化铝(AlN)陶瓷粉体粒度的目的。本发明所用原料硝酸铝和蔗糖的纯度高，且不存在二次污染，故产生的氮化铝(AlN)陶瓷粉体纯度高。本发明不需要昂贵的设备，故成本低。与碳热还原法、高能球磨法、溶胶—凝胶法、化学气相沉积法等相比，由于本发明具有粉体粒度细小、纯度高和成本低的特点，故适宜工业化大规模生产。

实施例

实施例1：

一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法为：

1、配料：称取蔗糖110g和硝酸铝220g粉体。其中，蔗糖的质量百分数为33％，硝酸铝的质量百分比为67％。再称取适量的去离子水，待用。称取丙烯酰胺0.5g、N，N’亚甲基丙烯酰胺0.1g和过硫酸铵0.2g。其中，丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵的质量百分比为5:1:2。再称取适量的氨水，待用。

2、制备氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体：将上述已称取的硝酸铝粉体，放入烧杯中，加入适量的去离子水，搅拌，配制成0.4mol/L浓度的硝酸铝溶液。再将已称取的蔗糖放入硝酸铝溶液中，搅拌，使蔗糖溶解，形成硝酸铝和蔗糖的混合液体。向硝酸铝和蔗糖的混合液体中，按照步骤1给出的配比，依次加入丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵，进行搅拌，使它们溶解在硝酸铝和蔗糖的混合液体中，形成硝酸铝、蔗糖、丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵的混合溶液。然后，利用冰水使该混合溶液的温度降到10℃以下，再向该混合溶液中滴入氨水溶液，同时继续搅拌，待该混合溶液的pH值达到9以后，停止氨水的滴入。继续搅拌2小时后，将该混合溶液倒入反应釜中，再加热到65℃，保温2小时，使其发生聚合反应，形成高分子网络结构，之后倒入托盘中，放入60℃的烘干箱中烘干，烘干后取出，再放入箱式电阻炉中300℃加热处理1小时，使水分蒸发和有机物分解之后取出，即可获得氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体。

3、合成AlN粉体：将上述氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体放入石墨推舟内，再将石墨推舟放入碳管炉中加热，使其合成出氮化铝(AlN)陶瓷粉体；加热合成时要先用真空泵把碳管炉炉膛中的空气抽出，再通入氮气；氮气流量为1.5L/min，加热合成温度为1500℃，合成保温时间为120min；升温速度为10℃/min。

4、脱碳处理：合成结束后，将得到的产物氮化铝(AlN)陶瓷粉体放入电阻炉中，于650℃下保温120min，便可除去残留的碳。

实施例2：

一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法为：

1、配料：称取蔗糖200g和硝酸铝400g粉体。其中，蔗糖的质量百分数为33％，硝酸铝的质量百分比为67％。再称取适量的去离子水，待用。称取丙烯酰胺1g、N，N’^-亚甲基丙烯酰胺0.04g和过硫酸铵0.16g。其中，丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵的质量百分比为25:1:4。再称取适量的氨水，待用。

2、制备氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体：将上述已称取的硝酸铝粉体，放入烧杯中，加入适量的去离子水，搅拌，配制成0.5mol/L浓度的硝酸铝溶液。再将已称取的蔗糖放入硝酸铝溶液中，搅拌，使蔗糖溶解，形成硝酸铝和蔗糖的混合液体。向硝酸铝和蔗糖的混合液体中，按照步骤1给出的配比，依次加入丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵，进行搅拌，使它们溶解在硝酸铝和蔗糖的混合液体中，形成硝酸铝、蔗糖、丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵的混合溶液。然后，利用冰水使该混合溶液的温度降到10℃以下，再向该混合溶液中滴入氨水溶液，同时继续搅拌，待该混合溶液的pH值达到9以后，停止氨水的滴入。继续搅拌2小时后，将该混合溶液倒入反应釜中，再加热到65℃，保温3小时，使其发生聚合反应，形成高分子网络结构，之后倒入托盘中，放入60℃的烘干箱中烘干，烘干后取出，再放入箱式电阻炉中300℃加热处理1小时，使水分蒸发和有机物分解之后取出，即可获得氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体。

3、合成AlN粉体：将上述氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体放入石墨推舟内，再将石墨推舟放入碳管炉中加热，使其合成出氮化铝(AlN)陶瓷粉体；加热合成时要先用真空泵把碳管炉炉膛中的空气抽出，再通入氮气；氮气流量为1.5L/min，加热合成温度为1550℃，合成保温时间为90min；升温速度为10℃/min。

Claims

1、一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法，其特征是：一种高纯超细氮化铝陶瓷粉体的高分子网络制备方法为：

(1)、配料：称取适量的蔗糖〔C₁₂H₂₂O₁₁〕和硝酸铝〔Al(NO₃)₃.9H₂O〕粉体，其中，蔗糖的质量百分数为30～40％，硝酸铝的质量百分比为70～60％；再称量适量的去离子水，待用；称取适量的丙烯酰胺〔C₃H₅NO〕、N，N’亚甲基丙烯酰胺〔C₇H₁₀N₂O₂〕和过硫酸铵〔(NH₄)₂S₂O₈〕，其中，丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵的质量百分比为(5～25):1:(1～4)。再称取适量的氨水，待用；

(2)、制备氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体：将上述已称取的硝酸铝粉体，放入烧杯中，加入适量的去离子水，搅拌，配制成0.3-0.5mol/L浓度的硝酸铝溶液；再将已称取的蔗糖放入硝酸铝溶液中，搅拌，使蔗糖溶解，形成硝酸铝和蔗糖的混合液体；向硝酸铝和蔗糖的混合液体中，按照步骤1给出的配比，依次加入丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵，进行搅拌，使它们溶解在硝酸铝和蔗糖的混合液体中，形成硝酸铝、蔗糖、丙烯酰胺、N，N’亚甲基丙烯酰胺和过硫酸铵的混合溶液；然后，利用冰水使该混合溶液的温度降到10℃以下，再向该混合溶液中滴入氨水溶液，同时继续搅拌，待该混合溶液的pH值达到9以后，停止氨水的滴入；继续搅拌2小时后，将该混合溶液倒入反应釜中，再加热到65℃，保温2～3小时，使其发生聚合反应，形成高分子网络结构，之后倒入托盘中，放入60℃的烘干箱中烘干，烘干后取出，再放入箱式电阻炉中300℃加热处理1小时，使水分蒸发和有机物分解之后取出，即可获得氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体；

(3)、合成AlN粉体：将上述氧化铝(Al₂O₃)和碳(C)的混合粉体放入石墨推舟内，再将石墨推舟放入碳管炉中加热，使其合成出氮化铝(AlN)陶瓷粉体；加热合成时要先用真空泵把碳管炉炉膛中的空气抽出，再通入氮气；氮气流量为1.5L/min，加热合成温度为1450—1600℃，合成保温时间为60—120min；升温速度为10℃/min；

(4)、脱碳处理：合成结束后，将得到的产物氮化铝(AlN)陶瓷粉体放入电阻炉中，于650℃下保温60-180min，便可除去残留的碳。