CN103553093A - 气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法及装置，将Al2O3和碳粉的混合物料装入位于高温炉内的底部带有多孔布气板的柱形容器中，从多孔布气板充入氮气使得混合物料在柱形容器中被气体搅动混合，将高温炉加热至1700-1900℃使得混合物料与氮气反应3～4小时。本发明可以得到没有组成偏差的氧氮化铝粉体，并且产物松散不结块。本发明具有操作简便、成本低、容易推广应用的优点。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料，特别涉及气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法及装置。
背景技术
氧氮化铝，又称为阿龙、γ-AlON或者AlON，以下简称为AlON，是AlN-Al2O3二元体系中一种重要的固溶体。晶体结构为立方面心格子结构，即尖晶石结构。1979年美国科学家McCauley通过烧结的方法首先制备出了AlON透明陶瓷。AlON透明陶瓷具有良好的光学性能、介电性能、力学性能以及物理化学稳定性，与蓝宝石和尖晶石并称为三大中红外光窗材料。
获得高纯AlON粉体是制备AlON透明陶瓷的重要前提之一。碳热还原氮化法是合成高纯AlON粉体最为有效和实用的方法，具有纯度高、成本低廉的优点。美国专利US4481300A公开了碳热还原氮化制备高纯AlON粉体及透明陶瓷的方法。将高纯Al2O3粉以及炭粉的混合物，其中炭粉的重量含量为5.4-7.1wt%，在流动的氮气中高于1750℃低于熔点的温度反应获得AlON粉体。所得粉体研磨后在600℃煅烧除杂质后，作为原料制备出AlON透明陶瓷。中国专利CN101928145A以γ-Al2O3粉末和碳源（炭黑、鳞片石墨和纳米级炭粉）为原料，采用高能球磨法结合高温碳热还原氮化法制备AlON粉体。为了充分反应，装料高度控制在15mm以下，所得粉体需要经500～900℃煅烧除碳。中国专利CN102180675A以纳米炭黑及硝酸铝为原料制备AlON粉体，需要在700℃条件下除碳。中国专利CN102838355A以纳米Al2O3和活性炭为原料，采用分区布料及预置气孔技术装粉制备纯相AlON透明陶瓷粉体，需要经过低温快速除碳工艺才能得到高纯AlON粉体。
综上公开信息以及其他研究数据表明，碳热还原氮化法在制备高纯AlON粉体时，均存在反应不完全的问题，所得粉体往往表现出灰白色甚至灰黑色，需要经过低温煅烧除碳。尤其是当装料堆积高度增加后，产物表层和内部反应程度有较大差异。表层反应相对充分，颜色较白；而内部产物颜色深，残碳量较大。
上述合成AlON粉体存在残碳需要经过煅烧除碳的技术问题的原因是碳热还原氮化法是一个固/固/气的三相反应，原料中少量的碳粉由于不能与Al2O3颗粒之间接触而残留。此外，当装料厚度增加时，反应产物CO气体不能顺利排出，导致内部反应没有表层反应充分，而残留较多的碳。由于残碳的量以及分布无法控制，上述技术问题导致的后果是所得AlON粉体中Al-O-N三种元素的比例及其分布产生偏差和波动，进而难以获得高质量的性能稳定的AlON粉体。上述文献还表明，AlON的合成温度在1650-1900℃，在这样的高温下处于静止状态的粉体颗粒会发生结块，增加了后期破碎研磨的难度。
2012年美国专利US8211356公开了一种AlON粉体的制备方法，通过转动盛料的容器，使得Al2O3/碳粉混合料在高温下一直处于流动混合状态，保证两者充分混合和反应，并且还能有效缓解颗粒间的团聚生长。但是，该方法对设备有特殊要求，盛料容器在转动的同时还要不能有空气泄漏，对动密封要求高，设备投入成本大，因此在实际工业生产中难以推广应用。
发明内容
针对碳热还原氮化法合成AlON粉体存在残碳以及产物内外成分偏差的问题，本发明提供一种气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法及装置，该方法和装置使Al2O3和碳粉原料能够充分混合反应，所获得的AlON粉体组成没有偏差，颗粒之间松散无结块。
本发明所要解决的技术问题通过如下技术方案实现：
一种气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法，其特点在于该方法包括以下步骤：
①将Al2O3和碳粉的混合物料装入位于高温炉内底部带有多孔布气板的柱形容器中；
②从多孔布气板充入氮气使混合物料在柱形容器中被气体搅动混合；
③将高温炉加热至1700-1900℃，使混合物料与氮气反应3～4小时。
所述混合物料中碳的重量含量为5.0-6.0wt%。
所述混合物料经过喷雾干燥获得。
一种实施上述方法的装置，包括高温炉，在高温炉内设置用于盛放混合物料的柱形容器，盖在该柱形容器上的多孔盖板，其特征是：所述的柱形容器的底部具有直径缩小的锥形过渡段并且与进气管连接，在所述的锥形过渡段的下部设有多孔布气板，从进气管充入的气体经多孔布气板进入柱形容器内。
所述的柱形容器内有一导流筒。
所述柱形容器由氮化硼、石墨或者氧化铝制成。
本发明的有益效果是：
本发明合成的AlON粉体没有碳残留，产物松散不结块。具有操作简便、成本低、容易推广应用的优点。本发明提供的装置不需要动密封结构部件，可以在大多数高温炉中实现，无需定制生产设备，易于推广应用。
附图说明
图1是本发明气流混合反应合成氧氮化铝粉体的装置实施例1的剖面图；
图2是本发明气流混合反应合成氧氮化铝粉体的装置实施例2的剖面图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
AlON粉体通常是将Al2O3和碳粉的混合物料在氮气中1650-1900℃反应获得，存在反应不完全、内外成分偏差、容易结块等缺点。本发明的技术方案就是针对现有技术合成AlON粉体存在的问题作出改进。下面通过具体的实施例分别详细说明。
实施例1
图1是本发明气流混合反应合成氧氮化铝粉体的装置实施例1的剖面图，包含：高温炉10、用于盛放混合物料50的柱形容器20、氮气充气进气管30、多孔盖板40。其中柱形容器20底部带有面积逐渐缩小的锥形过渡段22，锥形过渡段22下端与多孔布气板21连接，形成一个底部收缩的反应容器。反应过程中氮气由进气管30引入，经过多孔布气板21后进入柱形容器20中。混合物料50被气流带动向上流动，随着气流上升速度下降，在柱形容器20的四周下沉，经锥形过渡段22进入多孔布气板22上方，进入下一个流动循环。进入高温炉10内的氮气由泄压阀（图中未标示）排出。
混合物料50由Al2O3和活性炭组成，其中活性炭的重量含量为5.0wt%。上述混合物料50采用乙醇为介质通过湿法球磨混合，烘干后过100目筛。
将混合物料50装入实施例1的柱形容器20中，对高温炉10抽真空去除里面的空气后，由进气管30充入氮气。氮气流量以能带动混合物料50流动并且不飞出柱形容器20为宜。
混合物料50随柱形容器20在高温炉10内被加热。升温速度为10℃/min，在1550℃保温1h（小时）后继续升温至1700℃保温4h后，降温冷却。
所得AlON粉体外观洁白色，经X射线衍射（以下简称XRD）分析显示产物均为纯AlON相，未发现有其他成分；空气中700℃煅烧没有失重，表明没有碳残留。
对比例1：
对比例采用与实施例1相同的混合物料，在普通的坩埚中合成AlON粉体，也就是反应过程中粉体处于静止状态。其余合成条件与实施例1相同。对比例所得AlON粉体外观灰白色，底部颜色更深。经XRD分析显示含有少量石墨相碳；空气中700℃煅烧后失重0.8wt%，说明有碳残留。
实施例2
图2是本发明气流混合反应合成氧氮化铝粉体的装置实施例2的剖面图，包含：高温炉10、用于盛放混合物料50的柱形容器20、氮气进气管30、多孔盖板40以及导流筒23。实施例2的装置比实施例1的装置增加导流筒23，其余结构相似。反应过程中氮气由进气管30引入，经过多孔布气板21后进入导流筒23中。混合物料50被气流带动向上流动，经过导流筒23后速度下降，在导流筒23外测与柱形容器20之间下沉，再经锥形过渡段22进入多孔布气板21上方，进入下一个流动循环。进入高温炉10内的氮气由泄压阀（图中未标示）排出。
将粒径均小于1μm的α-Al2O3粉以及石墨粉加去离子水混合球磨48小时后，利用喷雾干燥形成混合物料50。其中石墨粉的重量含量为6.0wt%。
将混合物料50装入本发明实施例2的柱形容器20中，对高温炉20抽真空去除里面的空气后，由进气管30充入氮气。氮气流量以能带动混合物料50在导流筒23内流动并且不飞出柱形容器20为宜。
混合物料50随柱形容器20在高温炉10内被加热，升温速度为10℃/min。升温至1900℃保温3h后，降温冷却。
所得AlON粉体外观洁白色，经XRD分析显示产物均为纯AlON相，未发现有其他成分残留；空气中700℃煅烧没有失重，表明没有碳残留。
对比例2：
对比例采用与实施例2相同的混合物料，在普通的坩埚中合成AlON粉体，也就是反应过程中粉体处于静止状态。其余合成条件与实施例2相同。对比例所得AlON粉体外观灰白色，经XRD分析显示含有少量石墨相碳；空气中700℃煅烧后失重0.2wt%，说明有碳残留。
本发明所述柱形容器采用不易与混合物料反应的材料制成，例如但不限于氮化硼或者氧化铝。作为对上述技术方案的进一步改进，所述柱形容器也可以采用石墨制成，在使用过程初期，混合物料与石墨反应会生成一层AlON的保护层。
Claims (6)
1.一种气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
①将Al2O3和碳粉的混合物料装入位于高温炉内底部带有多孔布气板的柱形容器中；
②从多孔布气板充入氮气使混合物料在柱形容器中被气体搅动混合；
③将高温炉加热至1700-1900℃，使混合物料与氮气反应3～4小时。
2.按照权利要求1所述的气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法，其特征是所述混合物料中碳的重量含量为5.0-6.0wt%。
3.按照权利要求1或2所述的气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法，其特征是所述混合物料经过喷雾干燥获得。
4.一种实施权利要求1所述的方法的装置，包括高温炉（10），在高温炉（10）内设置用于盛放混合物料的柱形容器（20），盖在该柱形容器（20）上的多孔盖板（40），其特征是：所述的柱形容器（20）的底部具有直径缩小的锥形过渡段（22）并且与进气管（30）连接，在所述的锥形过渡段（22）的下部设有多孔布气板（21），从进气管（30）充入的气体经多孔布气板（21）进入柱形容器（20）内。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的柱形容器（20）内有一导流筒（23）。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述柱形容器（20）由氮化硼、石墨或者氧化铝制成。
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