CN102731109B

CN102731109B - 一种AlON材料的合成方法

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Publication number: CN102731109B
Application number: CN2012102115246A
Authority: CN
Inventors: 阮国智; 张智慧; 尹明强; 欧阳军华; 展晓元
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2012-06-16
Filing date: 2012-06-16
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2032-06-16
Also published as: CN102731109A

Abstract

本发明涉及一种AlON材料的合成方法。所采用的技术方案是：按重量百分含量将65～85％的Al粉和35～15％的Al₂O₃在行星球磨中加无水乙醇混合均匀后，80～120℃下烘干，在烘干后的混合料中外加0-5％的结合剂，在200～300MPa的压力下成型，将试样烘干后放入炉内在埋碳条件下，于1500～1650℃加热并保温2～7小时，冷却后，取出试样并除去表面的杂质层，即得到AlON材料。本发明的方法不需要在真空或惰性气体等保护气氛下合成，工艺简单，合成温度比较低，所得产品的产率、纯度较高，适于规模化生产。产品既可用作陶瓷制品基质组分，也可作为添加剂引入耐火材料中提高其抗渣侵蚀等性能。

Description

一种AlON材料的合成方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料合成与制备技术领域。具体涉及一种耐火材料用尖晶石型氧氮化铝(用AlON表示)及其合成方法。

背景技术

尖晶石型氧氮化铝(γ-AlON)是以Al₂O₃-AlN体系存在的一个重要单相，是一种比较稳定的固溶体陶瓷。AlON陶瓷材料以独特的性能成为颇具潜力的新材料，它不仅具有良好的耐高温性、热震稳定性和耐氧化性能，是一种理想的高温结构陶瓷和近代耐火材料。

目前，制备AlON材料的方法有很多，如高温固相反应、还原氮化氧化铝、自蔓延、化学气象沉积等。但工业生产使用最多的方法是高温固相反应法和还原氮化氧化铝法。其中高温固相反应法采用Al₂O₃和AlN直接固相反应合成和AlON材料(刘学建，李会利等，高温固相反应工艺制备AlON粉体.无机材料学报，2009，24(6)：1159-1162.)。此法虽然工艺简单，但原材料中所用Al₂O₃和AlN必须是高纯、超细粉。而Al₂O₃和AlN粉在不允许带入杂质的情况下难以混合均匀，且目前高质量的AlN粉主要依赖于国外进口，价格昂贵，这势必会增加制备工艺成本和操作难度。还原氮化氧化铝法采用还原剂(C、Al、NH₃、H₂等)还原Al₂O₃，通常采用碳热(田庭燕，杜洪兵等，碳热还原法合成AlON粉体的研究.硅酸盐通报，2009，28(5)：1093-1096.)或铝热(王跃忠，卢铁城等，铝热还原法合成AlON粉体及其热力学分析.稀有金属材料与工程，2009，38：48-51.)还原氮化法制得AlON材料。该工艺虽然原料成本低，但需在氮气气氛中于1800℃左右的高温合成，成产成本高，价格贵。特别是采用碳热法，由于Al₂O₃和C粉之间密度的异使两者很难均匀混合，且此法对两者的配比要求非常高，C含量太高则转化为AlN，太低则不能完全转化成AlON相。

中国专利申请号201110193372.7公开了一种低温碳热还原制备氧氮化铝粉末的方法。即将质量比1∶1的氧化铝与活性炭混合，放入高能球磨机的球磨罐中，在600～900℃进行球磨，球料质量比15～30∶1，填充比1∶2～8，球磨时间2-8h，球磨过程通入氮气，控制气流量为30ml-1L/min，最后在空气中去除多余的碳，即得氧氮化铝粉末。本发明的低温碳热还原制备氧氮化铝粉末的方法，通过短时间的高能球磨，使得氧氮化铝的合成温度降低，从而简化了生产设备的要求，也相对缩短了氧氮化铝粉末的合成周期，相对的解决了转化率低的问题。存在的缺陷是：虽然合成温度低，但它是以C和Al₂O₃为原料反应，并且在合成的过程中要氮气气氛保护，且需要进行二次脱碳处理。

中国专利申请号201010190470.0(公开号CN101928145A)公开了一种γ-AlON粉末的制备方法，属于透明陶瓷材料制备领域。它是以高比表面积的γ-Al₂O₃粉和碳源(炭黑或纳米级炭粉)为原料，经湿法高能球磨混合均匀后烘干，置于氧化铝与石墨的组合坩埚中进行高温碳热还原氮化反应，再经低温处理除碳，最后高能球磨破碎后得到超细、高纯的单相γ-AlON粉末。采用本发明虽然采用高能球磨混合前驱体粉末，在1700-1800℃温度下合成纯相氮氧化铝粉末，工艺简单易行，节省了成本，适用于工业化生产。存在的缺点是合成温度高仍然偏高，且要气氛保护和二次脱碳处理。

显然，上述公开的技术均需要在N₂气氛下进行，工艺复杂，不利于工业生产和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种AlON材料的合成方法。该方法以Al粉、Al₂O₃粉为原料，在埋碳气氛下烧结制备AlON材料，具有合成温度低、工艺简单的特点，利于工业生产和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它是按重量百分含量将65～85％的工业纯Al粉和35～15％工业纯Al₂O₃粉混合均匀后，经压制成型、干燥后，采用埋碳气氛进行烧结，即得到Al₄SiC₄材料。

本发明更详细的合成工艺为：按重量百分含量将65～85％的工业纯Al粉和35～15％工业纯Al₂O₃粉在行星球磨中加无水乙醇混合均匀后，80～120℃下烘干，将烘干后的混合料在200～300MPa的压力下成型，经烘干后将试样埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，焦炭粉应将刚玉匣钵装满并将试样完全埋住，并用刚玉盖板将匣钵盖住，再将刚玉匣钵放入电炉内，于1500～1650℃加热并保温2～7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到AlON材料，其纯度可达99％以上。

上述技术方案中，所述Al₂O₃粉为γ-Al₂O₃，且是经勃母石700℃保温4小时脱水后得到的活性γ-Al₂O₃。

上述试剂和材料除Al₂O₃粉外均为市售原料；

上述Al粉、Al₂O₃粉的粒度优选为均小于0.088mm。

为了便于压制成型，在烘干后的混合料中外加烘干后混合料重量0-5％的结合剂，比如酚醛树脂。

本发明的优点是：

1、以Al粉和Al₂O₃粉为原料，在埋碳气氛下合成AlON材料，无需在N₂气氛中合成，工艺简单。

2、在AlON材料合成过程中，采用埋碳气氛烧结工艺，炉内气氛可以近似认为氮气的分压为0.65，一氧化碳的分压为0.35。这样原料中的Al粉一部分与炉内的氮气反应形成AlN，一部分被炉内的CO氧化形成Al₂O₃，而这种原位反应生成的Al₂O₃活性高，更易于AlN反应生成AlON。另外Al粉的氧化是放热反应，被CO气体氧化形成Al₂O₃的过程中，会释放大量的热，这部分热量会使试样的实际温度高于炉内温度。因此本发明合成AlON材料的温度，比其它固相反应或还原氮化氧化铝法的低。可见，本发明具有工艺简单，合成温度低，生产成本低和易于工业化生产的特点。用该方法制备的AlON材料既可用作陶瓷制品基质组分，也可作为添加剂引入到耐火材料中提高其抗渣侵蚀等性能。

附图说明

图1为本发明合成的AlON材料的XRD图片。

具体实施方式

下面结合实施实例对本发明做进一步的描述，并非对保护范围的限制。下述实施例中原料的粒度均为小于0.088mm。同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，除Al₂O₃粉为自制，即经勃母石700℃保温4小时脱水后得到的活性γ-Al₂O₃，其余均可从商业途径获得。

实施例1

一种AlON材料的合成方法。按质量百分含量将65％的Al粉(粒径为100目)和35％的Al₂O₃进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干。将得到的混合料在250MPa压力下压制成型，然后将试样埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，再将刚玉匣钵放入炉内在埋碳条件下，于1600℃加热并保温3小时，冷却后，从刚玉匣钵中取出试样并除去表面的碳杂质层，即得到AlON材料。

从图1可以看出，本发明合成后材料的物相为AlON。

实施例2

一种AlON材料的合成方法。按质量百分含量将85％的Al粉(粒径为100目)和15％Al₂O₃进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干。再外加烘干混合料4wt％的酚醛树脂作为结合剂，混合25分钟，在200压力下压制成型，经180℃的条件下干燥20小时，然后将试样埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，再将刚玉匣钵放入炉内在埋碳条件下，于1550℃加热并保温3小时，冷却后，从刚玉匣钵中取出试样并除去表面的碳杂质层，即得到AlON材料。

实施例3

一种AlON材料的合成方法。按质量百分含量将75％的Al粉(粒径为200目)和25％Al₂O₃进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干。再外加烘干混合料3wt％的酚醛树脂作为结合剂，混合25分钟，在200MPa压力下压制成型，经180℃的条件下干燥20小时，然后将试样埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，再将刚玉匣钵放入炉内在埋碳条件下，于1600℃加热并保温3小时，冷却后，从刚玉坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到AlON材料。

Claims

1.一种AlON材料的合成方法，其特征在于，它是按重量百分含量将65～85％的工业纯Al粉和35～15％工业纯Al₂O₃粉在行星球磨中加无水乙醇混合均匀后，80～120℃下烘干，将烘干后的混合料在200～300MPa的压力下成型，经烘干后将试样埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，焦炭粉应将刚玉匣钵装满并将试样完全埋住，并用刚玉盖板将匣钵盖住，再将刚玉匣钵放入电炉内，于1500～1650℃加热并保温2～7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到AlON材料；所述的Al₂O₃粉为γ-Al₂O₃，且是经勃母石700℃保温4小时脱水后得到的活性γ-Al₂O₃。

2.如权利要求1所述的AlON材料的合成方法，其特征在于，所述的Al粉和Al₂O₃粉的粒度均小于0.088mm。

3.如权利要求1所述的AlON材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将65％的粒径为100目Al粉和35％的Al₂O₃进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干；将得到的混合料在250MPa压力下压制成型，然后将试样埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，再将刚玉匣钵放入炉内在埋碳条件下，于1600℃加热并保温3小时，冷却后，从刚玉匣钵中取出试样并除去表面的碳杂质层，即得到AlON材料。

4.如权利要求1所述的AlON材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将85％的粒径为100目Al粉和15％Al₂O₃进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干；再外加烘干混合料4wt％的酚醛树脂作为结合剂，混合25分钟，在200MPa压力下压制成型，经180℃的条件下干燥20小时，然后将试样埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，再将刚玉匣钵放入炉内在埋碳条件下，于1550℃加热并保温3小时，冷却后，从刚玉匣钵中取出试样并除去表面的碳杂质层，即得到AlON材料。

5.如权利要求1所述的AlON材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将75％的粒径为200目Al粉和25％Al₂O₃进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干；再外加烘干混合料3wt％的酚醛树脂作为结合剂，混合25分钟，在200MPa压力下压制成型，经180℃的条件下干燥20小时，然后将试样埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，再将刚玉匣钵放入炉内在埋碳条件下，于1600℃加热并保温3小时，冷却后，从刚玉坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到AlON材料。