CN103086718A - 一种原位合成含烧结助剂的复合氮化铝粉体的制备方法 - Google Patents

一种原位合成含烧结助剂的复合氮化铝粉体的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种原位合成含烧结助剂的复合氮化铝粉体的制备方法属于陶瓷粉末制备领域，其特征为采用铝合金作为原料，在NH3/H2混合气氛下通过控制反应室气体压强，原位合成含烧结助剂的复合氮化铝粉体。主要包括以下步骤：熔炼铝合金作为原料，其中合金元素为Li、碱土金属元素；将合金置于氮化炉中，抽真空后通入NH3/H2混合气体，控制反应室内压强为0.5~1atm；氮化过程分为两个步骤：在550~750℃温度区间低温氮化1~5h；然后将温度升高到850~1400℃温度区间，高温氮化反应1~10h。冷却后得到原位合成的含有烧结助剂的复合氮化铝粉。本发明所制得的氮化铝粉无团聚，颗粒细小，烧结性能好，同时具有原材料来源广泛，生产成本低，生产工艺简单的特点，可实现大批量生产。

Description

一种原位合成含烧结助剂的复合氮化铝粉体的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷粉末制备领域，具体涉及一种原位法合成复合氮化铝粉体的工艺方法。
背景技术
氮化铝（AlN）陶瓷具有高热导率、高电绝缘性、高强度、高硬度、耐腐蚀性、无毒性以及与硅匹配的热膨胀系数等一系列优异性能，应用前景十分广阔。
氮化铝陶瓷的制备和性能受粉体纯度、颗粒度、烧结性能等因素的影响明显，因此，性能优良的氮化铝粉体的制备显得十分重要。目前氮化铝粉体的制备方法有主要有铝粉直接氮化法和氧化铝碳热还原法。而这些方法制备的都是纯相氮化铝，在烧结前需要加入烧结助剂，进一步球磨混料。该过程中将会带入氧并且不易混料均匀。
王群等人发明的“氮化铝粉体的反应合成方法”采用N2及N2与其他气体混合作为反应气氛，制得了氮化铝粉体。其中含Y和La系合金元素的铝合金，反应得到了含Y2O3和La2O3等稀土金属氧化物烧结助剂的复合氮化铝粉体。该方法中，除Y和La系元素外，其他合金元素大量挥发，只是起到使氮化产物疏松的作用，并不能复合为烧结助剂在氮化产物中保留。然而，Li和碱土金属元素等的氧化物是AlN陶瓷烧结所普遍采用的烧结助剂，因此该方法降低了烧结助剂的丰富性，影响了氮化铝粉体的烧结特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的Li、碱土金属元素等主要合金元素无法复合为烧结助剂的缺陷，以提供一种生产工艺简单，可实现大批量生产的原位制备含烧结助剂的复合氮化铝粉体的工艺方法。
本发明的方法通过以下技术方案实现。
一种原位合成含烧结助剂的复合氮化铝粉体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）熔炼含一种或多种合金元素的Al合金原料；
（2）将Al合金置于氮化炉中，抽真空后通入H2含量为1~90%的NH3/H2混合气体，控制反应室内压强为0.5~1atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；
（3）加热到550~750℃的温度区间，氮化1~5h；
（4）加热到850~1400℃的温度区间，氮化1~10h；
（5）冷却后，得到松脆的产物，粉碎后即制得含烧结助剂的氮化复合铝粉。
上述步骤（1）所述含有一种或多种合金元素的Al合金中，其中合金元素为Li、碱土金属元素，每种元素含量为0.5~15%，合金元素的总含量为0.5~20%。
本发明的优点在于：
1.采用NH3/H2混合气体作为氮源，并控制反应室压强，反应速率得到控制，提高了铝的转化率，氮化产物疏松、易粉碎。传统的AlN制备方法采用单一的气体作为氮源，反应过程不易控制，发生剧烈的氮化反应后，产物易结块而导致转化率低。本发明中，H2的加入起到了稀释NH3的作用，反应室压强的控制则影响了NH3分解的平衡，最终氮势降低，使反应速率得到控制。
2.合金中的Li、碱土金属元素将挥发，同气氛中微量的氧生成氧化物，并最终同Al元素结合为铝酸盐，形成了含烧结助剂的复合氮化铝粉。通过控制混合气体比例和反应室压强，使合金元素可以反应生成氧化物烧结助剂，同时又不至于使Al生成Al2O3，保证了AlN的合成。
3.不同于传统方法直接在高温段进行氮化，本发明分两个温度段进行氮化反应，避免了产物结块，提高了产物转化率。
4.该方法一步直接得到的了含烧烧结助剂的复合氮化铝粉体，颗粒分布均匀，具有很好的烧结性，避免了二次添加烧结助剂时混料不均匀，同时也避免了球磨时带入氧及其他杂质。
具体实施方式：
实施例1
以纯金属铝、锂作为原料，按Al-Li5wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为50%，控制反应室压强为0.7atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到550℃，低温氮化5h；继续加热至1400℃，高温氮化5h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有LiAlO2相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.3μm，比表面积为2.4m2/g。
实施例2
以纯金属铝、镁作为原料，按Al-Mg0.5wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为70%，控制反应室压强为0.8atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到750℃，低温氮化1h；继续加热至850℃，高温氮化10h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有MgAl2O4相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.5μm，比表面积为2.2m2/g。
实施例3
以纯金属铝、钙作为原料，按Al-Ca15wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为1%，控制反应室压强为0.5atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到650℃，低温氮化3h；继续加热至1000℃，高温氮化5h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有CaAl2O4相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.1μm，比表面积为2.9m2/g。
实施例4
以纯金属铝、锂、镁作为原料，按Al-Li5wt%-Mg5wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为90%，控制反应室压强为1atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到550℃，低温氮化4h；继续加热至1200℃，高温氮化3h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有LiAlO2、MgAl2O4相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.4μm，比表面积为2.3m2/g。
实施例5
以纯金属铝、锂、钙作为原料，按Al-Li10wt%-Ca10wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为60%，控制反应室压强为0.8atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到700℃，低温氮化5h；继续加热至900℃，高温氮化8h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有LiAlO2、CaAl2O4相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.3μm，比表面积为2.5m2/g。
实施例6
以纯金属铝、镁、钙作为原料，按Al-Mg6wt%-Ca4wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为5%，控制反应室压强为0.5atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到600℃，低温氮化3h；继续加热至1400℃，高温氮化1h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有MgAl2O4、CaAl2O4相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.4μm，比表面积为2.2m2/g。
实施例7
以纯金属铝、锂、铍、钙作为原料，按Al-Li6wt%-Be6wt%-Ca8wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为30%，控制反应室压强为0.6atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到600℃，低温氮化2h；继续加热至1000℃，高温氮化3h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有LiAlO2、BeAl2O4、CaAl2O4相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.1μm，比表面积为3.0m2/g。
实施例8
以纯金属铝、镁、钙、锶作为原料，按Al-Mg4wt%-Ca5wt%-Sr6wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为20%，控制反应室压强为0.6atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到650℃，低温氮化3h；继续加热至1100℃，高温氮化6h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有MgAl2O4、CaAl2O4、SrAl2O4相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.6μm，比表面积为2.1m2/g。
实施例9
以纯金属铝、锂、镁、钡作为原料，按Al-Li5wt%-Ba5wt%的比例在中频感应炉中熔炼二元合金。将合金装进刚玉坩埚，放入氮化炉中；将炉腔抽真空后通入NH3/H2混合气体，H2含量为40%，控制反应室压强为0.7atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；升温到700℃，低温氮化2h；继续加热至1300℃高温，氮化5h；冷却后，得到松脆的氮化产物，粉碎后得到灰白色的含有LiAlO2、BaAl2O4相的AlN粉末。
本实施例所得复合AlN粉体的平均粒径为1.5μm，比表面积为2.2m2/g。

Claims (2)

1.一种原位合成含烧结助剂的复合氮化铝粉体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）熔炼含一种或多种合金元素的Al合金原料；
（2）将Al合金置于氮化炉中，抽真空后通入H2含量为1~90%的NH3/H2混合气体，控制反应室内压强为大小为0.5~1atm，使反应室内氧分压小于0.1Pa；
（3）加热到550~750℃温度区间，氮化1~5h；
（4）加热到850~1400℃温度区间，氮化1~10h；
（5）冷却后，得到松脆的产物，粉碎后即制得含烧结助剂的复合氮化铝粉。
2.根据权利要求1所述的原位合成含烧结助剂的复合氮化铝粉体的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述含有一种或多种合金元素的Al合金中，其中合金元素为Li、碱土金属元素，每种元素含量为0.5~15%，合金元素的总含量为0.5~20%。
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