CN102531014A - 一种α-Al2O3粉体的混合微波烧结法 - Google Patents

一种α-Al2O3粉体的混合微波烧结法 Download PDF

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本发明属于无机非金属材料制备工艺技术领域,公开了一种α-Al2O3粉体的混合微波烧结法。将前驱体粉料置于辅助加热保温装置中,辅助加热保温装置与前驱体粉料一同放入微波谐振腔内进行烧结:首先,开启微波源,调节微波输入功率,以平均6~30℃/min的速度缓慢升温;待脱水结束后,开始连续调节微波输入功率,以20~100℃/min的速度迅速加热,同时监测反射功率;待反射功率稳定时,维持升温速率在10~30℃/min匀速升温至烧结温度1000~1500℃,保温2~20min,控制微波输入功率以6~30℃/min的速度匀速冷却至室温,即得α-Al2O3粉体制品。本发明根据氧化物的吸波特性,将传统烧结与微波烧结结合,实现了α-Al2O3粉体的快速烧结,该方法成本低、无污染、方便快捷,适宜α-Al2O3粉体的规模化生产。

Description

一种α-Al2O3粉体的混合微波烧结法
技术领域
本发明属于无机非金属材料制备工艺技术领域,具体涉及一种α-Al2O3粉体的混合微波烧结法。
背景技术
α- Al2O3外观为白色粉末或细砂状,流动性较好,性能稳定,难溶于酸碱溶液中,是一种用途广泛、性能优异、价格经济的无机非金属材料,广泛应用于国民经济的各个领域。尤其是近几年来,随着高科技产业的迅猛崛起,α- Al2O3粉体的应用也得到了迅速拓展。
α- Al2O3粉体的现实市场十分可观,而且随着其应用领域的不断扩大、产品不断派生衍化、系列化和延伸发展,α- Al2O3粉体的市场前景更为看好。因此,α- Al2O3粉体制备技术的提升,对其自身制造行业以及相关行业都将产生非常重大的影响,成为现代高技术新材料领域中一个重要发展方向。
目前,α- Al2O3粉体的制备主要依靠传统烧结方式,烧成时间长,能量消耗大,且烧成过程造成的CO2排放和高温辐射对环境产生严重影响。作为一种新兴的替代烧结技术,微波烧结主要依靠介电材料的介电损耗吸收电磁能,自身加热至烧结温度,是一种体加热过程,能实现快速升温,晶粒细化及均匀化,提高纯度,并能克服传统烧结方式制备α- Al2O3粉体带来的诸多问题。但是关于α- Al2O3粉体微波烧结工艺的实验研究并不多见,仍处于摸索阶段。
发明内容
为解决目前现有技术中α-Al2O3粉体烧结时间长、能源消耗大、环境污染严重等问题,本发明的目的在于提供一种α-Al2O3粉体的混合微波烧结法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种α-Al2O3粉体的混合微波烧结法:将前驱体粉料置于辅助加热保温装置中,辅助加热保温装置与前驱体粉料一同放入微波谐振腔内进行烧结:首先,开启微波源,调节微波输入功率,以平均6~30℃/min的速度缓慢升温;待脱水结束后(大约至500℃),开始连续调节微波输入功率,以20~100℃/min的速度迅速加热,同时监测反射功率;待反射功率稳定时(大约至700℃),维持升温速率在10~30℃/min匀速升温至烧结温度1000~1500℃,保温2~20min,控制微波输入功率以6~30℃/min的速度匀速冷却至室温,即得α-Al2O3粉体制品;其中,所述辅助加热保温装置包括内外双层保温层、内外双层保温层之间设有辅助加热体,内外双层保温层顶部设置有与其形状匹配的盖板,盖板上开设有红外测温探孔。
较好地,所述前驱体粉料为氢氧化铝粉末、十二水合硫酸铝铵粉末或一水合氧化铝粉末。本发明对前驱体粉料的粒度无特别要求,市购粉末状的原料均可。
较好地,为使保温层与盖子之间扣合严密,起到一个较好的保温效果,内外双层保温层优选由内、外圆柱体嵌套成型,并且内层保温层低于外层保温层。
进一步地,内外双层保温层(即内层和外层)均为莫来石或氧化铝保温层,盖板为莫来石或氧化铝盖板。
进一步地,辅助加热体为SiC加热棒。
进一步地,SiC加热棒与内外双层保温层之间的距离(即SiC加热棒与内层以及SiC加热棒与外层之间的距离)为1~3cm,内层保温层与装置中心的距离为5~20cm。
本发明采用低温传统加热、高温微波加热的混合烧结方式进行烧结,烧结过程经历缓慢升温-迅速升温-匀速升温-保温-匀速降温五个阶段,其烧成制度见下表:
Figure 812987DEST_PATH_IMAGE001
本发明的关键技术在于,针对氧化铝“低温吸波性能较差,高温吸波性能良好”的特性,采用SiC加热棒低温辅助加热,待达到临界温度后,氧化铝自身吸收微波加热至烧结温度。
相对于现有技术,本发明的优点在于:
1. 根据氧化物的吸波特性,将传统烧结与微波烧结结合,实现了α-Al2O3粉体的快速烧结,该方法成本低、无污染、方便快捷,适宜α- Al2O3粉体的规模化生产;
2. 辅助加热保温装置的使用,同时解决了氧化铝的低温加热问题和高温保温问题;
3. 相对于常规烧结,微波烧结的快速升温,能实现晶粒细化及均匀化,减少硬团聚,提高纯度,改善产品性能;
4. 输入功率与反射功率的结合控制,不断加大前驱体粉料的用量,实现可重复性实验,为工业化生产奠定基础;
5. 微波烧结α- Al2O3粉体的周期短,且节省大量电能,适合工业化快速生产,具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为辅助加热保温装置的整体示意图;
图2为辅助加热保温装置的盖子示意图;
图3为辅助加热保温装置的俯视图(除盖子);
图4为辅助加热保温装置的透视图(除盖子);
图5为本发明实施例1微波烧结α- Al2O3粉体的X射线衍射图;
图6为本发明实施例1微波烧结α- Al2O3粉体的能谱分析图;
图7为本发明实施例2微波烧结α- Al2O3粉体的X射线衍射图;
图8为本发明实施例3微波烧结α- Al2O3粉体的X射线衍射图;
图9为本发明实施例1氢氧化铝微波烧结α- Al2O3粉体放大20000倍的SEM图;
图10为本发明实施例2十二水合硫酸铝铵微波烧结α- Al2O3粉体放大50000倍的SEM图;
图11为本发明实施例3一水合氧化铝微波烧结α- Al2O3粉体放大30000倍的SEM图。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案,但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
如图1~4所示的辅助加热保温装置:包括内外双层保温层2、3,内外双层保温层2、3由内、外圆柱体嵌套成型,并且内层保温层2低于外层保温层3,内外双层保温层2、3之间沿圆周方向均匀分布有辅助加热体4,内外双层保温层2、3顶部设置有与其形状匹配的盖板1,盖板1上开设有红外测温探孔5,其中所述辅助加热体4为SiC加热棒,SiC加热棒与内外双层保温层2、3之间的距离均为1~3cm,内层保温层2与装置中心(放置样品)的距离为5~20cm。
原料选用氢氧化铝粉末,称量粉末20g,置于辅助加热保温装置中,将辅助加热保温装置放入微波谐振腔内,调整好红外测温仪与样品(即原料)表面的相对位置(保证红外光穿过保温结构的红外测温探孔5,然后直接射到样品表面),开启微波源,调节微波输入功率,在低温阶段以平均6~30℃/min的速度缓慢升温;待脱水结束后(大约至500℃),开始连续调节微波输入功率,以20~100℃/min的速度迅速加热,同时监测反射功率,防止反射功率剧烈波动出现热失控现象;待反射功率稳定时(大约至700℃),氧化铝自身吸波,维持升温速率在10±3℃/min至烧结温度1500℃,保温2min,控制微波输入功率以25±3℃/min匀速冷却至室温。整个烧结过程历时88min左右。
所得的α- Al2O3粉体粒度分布均匀、在0.5μm左右,纯度高。其X射线衍射图见图5,能谱分析图见图6。α- Al2O3粉体的断面扫描电镜照片如图9所示,从图中可以看出,α- Al2O3粉体颗粒大小均匀,为类球形,颗粒疏松,为软团聚,易研磨。
上述微波谐振腔为TE666大容积微波谐振腔(常规结构),谐振腔采用微波频率为2.45GHz,最大输出功率为10KW的微波源,通过6个磁控管均匀分布在腔体上方,保证谐振腔内微波场强分布均匀。腔体顶部设有排气装置及适于远红外辐射温度计的探孔。红外测温仪实时监测谐振腔内样品温度,所测温度范围为600~1800℃。
实施例2
基本同实施例1,不同之处在于:原料选用十二水合硫酸铝铵粉末,样品质量为50g,待反射功率基本稳定时,维持升温速率在15±3℃/min,匀速升温至烧结温度1200℃,保温时间15min,控制微波输入功率以20±3℃/min匀速冷却至室温。整个烧结过程历时130min左右。
所得的α- Al2O3粉体粒度分布均匀、在0.2μm左右,纯度高,颗粒表面疏松,为软团聚,易研磨。其X射线衍射图见图7。α- Al2O3粉体的断面扫描电镜照片如图10所示,从图中可以看出,α-Al2O3粉体颗粒大小均匀,为类球形,晶界较例1模糊。
实施例3
基本同实施例1,不同之处在于:原料选用一水合氧化铝粉末,样品质量为100g,待反射功率基本稳定时,维持升温速率在30±3℃/min,匀速升温至烧结温度1000℃,保温时间20min,控制微波输入功率以6±3℃/min匀速冷却至室温。整个烧结过程历时250min左右。
所得的α- Al2O3粉体粒度分布均匀、在0.2μm左右,纯度高,晶粒细小且均匀,易分散。其X射线衍射图见图8。α- Al2O3粉体的断面扫描电镜照片如图11所示,从图中可以看出,α- Al2O3粉体晶粒大小均匀,为类球形,晶界清晰可见。

Claims (6)

1.一种α-Al2O3粉体的混合微波烧结法,其特征在于:将前驱体粉料置于辅助加热保温装置中,辅助加热保温装置与前驱体粉料一同放入微波谐振腔内进行烧结:首先,开启微波源,调节微波输入功率,以平均6~30℃/min的速度缓慢升温;待脱水结束后,开始连续调节微波输入功率,以20~100℃/min的速度迅速加热,同时监测反射功率;待反射功率稳定时,维持升温速率在10~30℃/min匀速升温至烧结温度1000~1500℃,保温2~20min,控制微波输入功率以6~30℃/min的速度匀速冷却至室温,即得α-Al2O3粉体制品;其中,所述辅助加热保温装置包括内外双层保温层(2、3)、内外双层保温层(2、3)之间设有辅助加热体(4),内外双层保温层(2、3)顶部设置有与其形状匹配的盖板(1),盖板(1)上开设有红外测温探孔(5)。
2.如权利要求1所述的α-Al2O3粉体的混合微波烧结法,其特征在于:所述前驱体粉料为氢氧化铝粉末、十二水合硫酸铝铵粉末或一水合氧化铝粉末。
3.如权利要求1或2所述的α-Al2O3粉体的混合微波烧结法,其特征在于:内外双层保温层(2、3)由内、外圆柱体嵌套成型,并且内层保温层(2)低于外层保温层(3)。
4.如权利要求3所述的α-Al2O3粉体的混合微波烧结法,其特征在于:内外双层保温层(2、3)为莫来石或氧化铝保温层,盖板(1)为莫来石或氧化铝盖板。
5.如权利要求4所述的α-Al2O3粉体的混合微波烧结法,其特征在于:辅助加热体(4)为SiC加热棒。
6.如权利要求5所述的α-Al2O3粉体的混合微波烧结法,其特征在于:SiC加热棒与内外双层保温层(2、3)之间的距离为1~3cm,内层保温层(2)与装置中心的距离为5~20cm。
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