CN108217706A - 一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3粉体的方法 - Google Patents

一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3粉体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α‑Al2O3粉体的方法。其制备过程如下：以高纯γ‑Al2O3、Al(OH)3、AACH（勃姆石）等为原料，以Fe2O3和CuO作为掺杂剂，经湿法球磨混合后，经烘干、研磨、过筛得到混合干粉，然后将混合干粉在一定温度下煅烧，就可获得α‑Al2O3粉体。据大量实验测试结果表明：在γ‑Al2O3等原料中掺杂一定量的Fe2O3和CuO助剂，能明显降低α‑Al2O3的相变温度。典型地，当添加的Fe2O3和CuO总含量为0.5wt%，且Fe2O3/CuO比为4时，Al2O3转变成α相的温度可下降至1050℃左右。本发明制备工艺简单，不使用昂贵添加剂，具有良好的工业化前景。

Description

一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3粉体的方法
技术领域
本发明涉及一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3粉体的方法，属于材料科学技术、先进陶瓷粉体制备领域。
背景技术
α-Al2O3粉体是指具有α晶相的Al2O3粉体，具有机械性能好、化学性能稳定、绝缘性强、耐高温等多种优点，广泛应用于陶瓷和耐火材料生产、超精研磨和抛光、复合材料填料、锂电池隔膜等领域。目前制备高纯超细α-Al2O3粉体的方法主要有胆碱化铝水解法、硫酸铝铵热解法、碳酸铝铵热解法、异丙醇铝水解法、高纯铝活化水解法，处于中试及实验室阶段的方法还有氯化汞活化水解法、等离子体法、喷雾热解法、水热法、溶胶凝胶法等。工业上，这些α-Al2O3粉体的制备主要是利用不同的前驱体在高温炉中煅烧相转获得。由于相转温度比较高（通常为1200℃～1400℃），α-Al2O3粉体颗粒形成后会立即长大，此外粒子之间相互团聚，残余气孔聚集长大，并伴有烧结颈产生，形成“蛭石状”的硬团聚结构。这样所得的α-Al2O3粉体不仅颗粒大，且团聚严重，很不利于下一步的使用。因此，设法降低相转温度，以获得颗粒细且分散性好的高纯α-Al2O3粉体便成为研究开发的热点。其中，通过掺杂来降低α-Al2O3的相转温度，因其操作简单、便于工业化生产，更为大家所关注。比如：吴玉程等在Al2O3前驱体添加2% TiO2胶体，结果在1100℃煅烧1.5 h就可完成α相变，这比纯的前驱体降低了100℃。薛茹君等发现ZnO掺杂对Al2O3的α相变有显著的促进作用，5 % ZnO的掺杂样品在1150℃煅烧全部完成α相变，10% ZnO的掺杂样品在1050℃已经出现了部分α-Al2O3，在1100℃煅烧后全部完成了相变，比未掺杂的Al2O3样品降低了100℃。田清波等在 Al(OH)3中加入5 wt% NH4F，结果在 900 ℃煅烧2.5h即可获得α-Al2O3。但同时 NH4F的引入改变了α-Al2O3晶体生长形貌，形成规则的六角片状形态。李继光等发现，用Al(NO3)3和NH3·H2O为原料制备的Al(OH)3干凝胶煅烧时，由于NH4NO3的作用，α相变温度下降了50℃～100℃。宋振亚在AACH中加入8%的MgO凝胶，发现掺杂8%MgO的样品全部完成α相变，但从产物XRD衍射峰判断，产物除了α-Al2O3外，还有大量镁铝尖晶石形成。总之，目前的掺杂工艺有一个明显的不足，就是掺杂量都比较大（一般都多于1%，有的甚至多达10%），因此所获的α-Al2O3粉体中残留大量的杂质，纯度大大降低，严重影响其应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过少量掺杂就能实现α-Al2O3粉体低温相转的方法，从而在较低温度下合成α-Al2O3粉体，同时不会导致粉体纯度大幅下降。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：以γ-Al2O3、Al(OH)3、AACH（勃姆石）等作为前驱体原料，选用Fe2O3和CuO作为掺杂物，湿法球磨混合后，经干燥、研磨、过筛得到混合干粉。将混合干粉放置于马弗炉中升温至一定温度煅烧一定时间, 随炉自然冷却，即得到纯度较高的α-Al2O3粉体。
在上述技术方案中，Fe2O3和CuO的掺杂量总量为Al2O3量的0.5wt%（当使用Al(OH)3、AACH等为前驱体原料时，需先计算出其中的Al2O3量，再依此确定Fe2O3和CuO的掺杂量），Fe2O3/CuO比分别为4。球磨混合介质为氧化锆球和去离子水，料：水：球=1:2:2，球磨时间为24-36h。干燥温度为80-120℃。煅烧温度为1050℃，保温时间为90min。
本掺杂工艺完成α-Al2O3粉体相转的温度为1050℃，比不掺杂的α-Al2O3粉的相转温度下降150℃左右。与现有掺杂工艺相比，本发明的最大的特点就是：掺杂物的添加量很低，只有Al2O3粉体的0.5wt%，远低于现有掺杂工艺所用的2.5-10.0wt%的掺杂量，因此能很好地保持Al2O3粉体的纯度。另外，本发明操作方法简单，生产流程短，所需要的工艺设备也很简单，可大量节约时间成本，适合规模化生产。
具体实施方式
实施例1：一种通过Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3的方法，它是通过以下方法制备而成的：取4份高纯γ-Al2O3粉末，每份50g，放置于4个球磨罐中，选用Fe2O3和CuO作为掺杂物，掺杂量总量为Al2O3量的0.5wt%，Fe2O3/CuO比分别为2、3、4、5。将混合料进行湿法球磨，球磨混合介质为氧化锆球和去离子水，料：水：球=1:2:2，球磨时间为24h。之后将混合物在80℃的烘箱中干燥，再经研磨、过筛后，放置在刚玉坩埚中，于1000℃、1025℃、1050℃、1100℃、1200℃煅烧90min，随炉冷却到室温，即得到白色的α-Al2O3粉体。
对上述α-Al2O3粉体进行XRD分析，XRD分析表明当Fe2O3和CuO粉体掺杂含量为0.5wt%时，Fe2O3/CuO比为4时，在1050℃及以上温度煅烧90min均可得到高纯稳定型α-Al2O3。而Fe2O3/CuO比为较低时，需要在更高温度煅烧90min才能得到高纯稳定型α-Al2O3。
实施例2：一种通过Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3的方法，它是通过以下方法制备而成的：采用硫酸铝按（NH4Al（SO4）2·12H2O，记作AAS），碳酸氢铵（NH4HCO3，记作AHC），将分析纯AAS和AHC，按反应物配比，用去离子水配制浓度分别为0.2mol/L和2mol/L的溶液，在AHC母液中加入适量的聚乙二醇（PEG1000）作为分散剂，减少沉淀团聚。在室温下，将AAS溶液按比例缓慢地加入到快速搅拌的AHC母液中，滴加速度控制在4ml/min。在反应过程中，利用氨水调节反应体系的pH值（pH=10.0-11.0）。得到的沉淀在60℃的烘箱中陈化12h，使其反应完全。获得的AACH沉淀经去离子水洗涤四次后重新分散在水溶液中，并用氨水调节系统的pH值（体系pH值为10.0）然后将陈化后的溶液进行过滤烘干，研磨，最后得到AACH前驱体。
取4份AACH前驱体粉末，每份100g，放置于4个球磨罐中，选用Fe2O3和CuO作为掺杂物，掺杂量为AACH所含Al2O3量的0.5wt%，Fe2O3/CuO比为2、3、4、5。将混合料进行湿法球磨，球磨混合介质为氧化锆球和去离子水，料：水：球=1:2:2，球磨时间为24h。之后将混合物在80℃的烘箱中干燥，再经研磨、过筛后，放置在刚玉坩埚中，于1000℃、1025℃、1050℃、1100℃、1200℃煅烧90min，随炉冷却到室温，即得到白色的α-Al2O3粉体。
对上述α-Al2O3粉体进行XRD分析，XRD分析表明当Fe2O3和CuO粉体掺杂含量为0.5wt%时，Fe2O3/CuO比为4时，在1050℃及以上温度煅烧90min均可得到高纯稳定型α-Al2O3。而Fe2O3/CuO比为较低时，需要在更高温度煅烧90min才能得到高纯稳定型α-Al2O3。
实施例3：一种通过Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3的方法，它是通过以下方法制备而成的：取4份高纯氢氧化铝（Al(OH)3）粉末，每份60g，放置于4个球磨罐中，选用Fe2O3和CuO作为掺杂物，掺杂量为Al(OH)3中Al2O3量的0.5wt%，Fe2O3/CuO比为2、3、4、5。将混合料进行湿法球磨，球磨混合介质为氧化锆球和去离子水，料：水：球=1:2:2，球磨时间为24h。之后将混合物在80℃的烘箱中干燥，再经研磨、过筛后，放置在刚玉坩埚中，于1000℃、1025℃、1050℃、1100℃、1200℃煅烧1.5小时，随炉冷却到室温，即得到白色的α-Al2O3粉体。
对上述α-Al2O3粉体进行XRD分析，XRD分析表明当Fe2O3和CuO粉体掺杂含量为0.5wt%时，Fe2O3/CuO比为4时，在1050℃及以上温度煅烧90min均可得到高纯稳定型α-Al2O3。而Fe2O3/CuO比为较低时，需要在更高温度煅烧90min才能得到高纯稳定型α-Al2O3。

Claims (4)

1.一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
（1） 以γ-Al2O3、Al(OH)3、AACH（勃姆石）等作为原料，放置于球磨罐中，然后分别加入一定配比Fe2O3和CuO作为掺杂物，经湿法球磨后，烘干、研磨、过筛得到混合干粉；
（2） 将步骤 (1) 得到的混合干粉煅烧，即可得到Fe2O3和CuO共掺的α-Al2O3粉体样品。
2.根据权利要求1所述一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3的方法，其特征在于：步骤(1) 中，所述两种掺杂物的含量保持总体含量的0.5wt%不变，两种掺杂物其配比Fe2O3/CuO的比为4。
3.根据权利要求1所述一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3的方法，其特征在于：步骤(1) 中，所述球磨介质为氧化锆球和去离子水，料：水：球=1:2:2，球磨时间为24-36h，烘干温度为80-120℃。
4.根据权利要求1所述一种Fe2O3和CuO共掺低温制备α-Al2O3的方法，其特征在于：步骤(2) 中，所述粉体样品的烧结温度为1050℃，保温时间为90min，升温速度为2℃/min。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111410220A (zh) * 2020-04-28 2020-07-14 山东国瓷功能材料股份有限公司 一种高频应用的低介电常数高导热氧化铝材料及制备方法

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