CN108910927A - 一种低温制备多面体状纳米α-氧化铝粉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温制备多面体状纳米α‑氧化铝粉的方法,制备步骤如下:将球磨处理过的前驱体原料,与添加剂混合均匀,于800-1000℃煅烧即得。所述前驱体原料为工业氢氧化铝Al(OH)3和/或勃姆石AlOOH,所述添加剂为NH4F和/或AlF3∙3H2O,添加剂的加入量为原料质量的0.1-5%。本发明方法在低温800-1000℃下制备得到多面体状α‑Al2O3纳米粉,流程简单,便于操作,且能耗较低,适合工业大规模生产;所得多面体状α‑Al2O3粉粒度均匀,尺寸分布在100~200nm。
Description
技术领域
本发明属于氧化铝粉制备技术领域,具体涉及一种低温制备多面体状纳米α-氧化铝(α-Al2O3)粉的方法。
背景技术
α-Al2O3具有高强度、高硬度、高电阻率、耐磨性强、耐腐蚀和绝缘性好等特点,被广泛用于航天、机械、橡胶、陶瓷、耐火材料等领域。而纳米α-Al2O3由于表面效应、体积效应、量子尺寸效应等,在传统行业和高新科技产业间均将具有广阔的发展前景。α-Al2O3的微观形貌是影响其应用的一个重要因素。相比于片状α-Al2O3,多面体状α-Al2O3与基体具有更大的接触面,用作导热领域如树脂的散热填料时具有更高的可填充性和高耐磨性。此外,多面体状α-Al2O3在用于研磨以及提高抛光精度方面也有较好的应用。
氧化铝由过渡相转化为α相是原子重新排列、结构重建的过程,因此转变温度很高,通常高于1200℃,工业生产上需要较高的能耗。而且在较高温度下晶粒会快速长大,导致产物分散性差,高温下晶粒出现严重团聚。因此,降低α-Al2O3的烧结温度,改善α-Al2O3的分散性是制备纳米α-Al2O3粉的关键因素。
氟化物的分解温度较低,当作为添加剂用于制备α-Al2O3时,随着温度的升高,氟化物分解与氧化铝过渡相之间形成AlOF或HF等气相化合物,物质传递过程由固相传质转变为气相传质为主,加速原子迁移速率,从而使氧化铝结构重建变快,降低α相的转变温度。田清波, 杨晓洁, 代金山等(氟化物及制备工艺对高纯氧化铝陶瓷组织形貌的影响[J]. 化工进展, 2018, 37(1): 182-188)以高纯AlOOH为原料,添加氟化物后在950℃煅烧得到片状α-Al2O3。康健, 王晶, 张文波(AlF3添加剂对氧化铝粉体微观结构的影响[J]. 轻金属,2008 (3): 13-16)采用醇盐水解法,对水解后的产物进行水热处理,在900℃煅烧得到尺寸几微米的板状α-Al2O3。不过该方法原料成本较高,且水热处理过程操作复杂,容易发生危险,不适于大规模工业生产。
目前国内外有关制备多面体状α-Al2O3粉的专利较少,查阅相关专利如下:
专利名为“陶瓷膜支撑体的制备方法”的中国专利(CN105565785A)在制备骨料时,通过将煅烧保温后得到的α-Al2O3研磨、打散、分级得到多面体氧化铝粉,其一次粒径D50=1~30μm。该方法采用机械方式改变α-Al2O3的形貌,产物形貌难以有效控制,且步骤较多,生产成本提高,不利于工业生产。
专利名为“POLYHEDRAL α-ALUMINA AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF”的日本专利(JP20060315847)采用假勃姆石和/或过渡相氧化铝为原料,添加质量分数为0.1-2.0%的氟化物和/或硼化物为添加剂,在1100℃以上煅烧得到粒度均匀,尺寸为0.5~6μm的多面体状α-Al2O3。但该方法的煅烧温度较高,能耗较大,且产物粒度分布范围较大。
专利名为“α-ALUMINA PARTICLES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME”的美国专利(US09604852)以过渡相γ-Al2O3为原料,同时与金属化合物混合(钼化合物和/或钒化合物),在900-1300℃煅烧得到晶粒尺寸在50μm左右的多面体状的α-Al2O3。虽然该方法煅烧温度降低,但是钼,钒皆为稀有金属,价格较高,无法用于大规模的工业生产。
专利名为“PROCESS FOR PREPARAING POLYHEDRAL α-ALUMINA PARTICLES”的美国专利(US5523074)以铝片为模板在其表面形成勃姆石层,随后将铝片形成圆筒状在一定温度和压力下预烧,然后在氩气保护下于800℃煅烧1h,最后用盐酸对其进行处理形成粉体,得到3μm左右的多面体状α-Al2O3。该方法操作复杂,步骤繁多且需要在惰性气体保护下煅烧,生产成本提高,难以用于工业生产。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术存在的问题,提供了一种低温制备多面体状纳米α-Al2O3粉的方法,该方法α-Al2O3粉的烧结温度较低,从而降低了工业生产中的能耗,且工艺流程简单,易于操作,适合工业化大批量生产。
为实现以上目的,本发明采用以下技术方案:
一种低温制备多面体状纳米α-Al2O3粉的方法,其将球磨处理过的原料,与添加剂混合均匀,于800-1000℃煅烧即得。
具体的,所述前驱体原料为工业Al(OH)3和/或勃姆石AlOOH,所述添加剂为NH4F和/或AlF3∙3H2O,添加剂的加入量为前驱体原料质量的0.1-5%。
进一步的,前驱体原料球磨时的球磨参数为:球料比为10-20:1,转速为200-500r/min,球磨时间为5-9 h。
具体的,所述煅烧具体升温制度如下:以5-10℃/min的速度升温至300℃,再以2-5℃/min的速度升温至最高温度800-1000℃,然后于800-1000℃保温3-5h,保温结束后自然冷却至室温即可。
本发明还提供了采用上述制备方法制备所得的多面体状纳米α-Al2O3粉,该多面体状纳米α-Al2O3粉粒度均匀,尺寸分布在100~200nm。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
1)本发明采用的原料为普通市售工业Al(OH)3和/或勃姆石AlOOH,添加剂为市售NH4F和/或AlF3∙3H2O,成本低廉,获取途径方便;
2)本发明使用的设备均为常规设备,生产工艺简单,煅烧温度低至800℃,能耗低,同时容易操作,适于大规模工业生产;
3)本发明得到的多面体状纳米α-Al2O3粉产物分散性好,粒度分布均匀,颗粒尺寸在100~200 nm。
附图说明
图1为实施例1制备所得多面体状纳米α-Al2O3粉的XRD图;
图2为实施例1制备所得多面体状纳米α-Al2O3粉的SEM图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行说明,但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种低温制备多面体状纳米α-Al2O3粉的方法,具体包括如下步骤:
1)将工业Al(OH)3前驱体原料球磨9h,球料比10:1,转速为200r/min。随后称取2.0g球磨后的前驱体原料与0.033g AlF3∙3H2O置于玛瑙研钵中研磨1h使其混合均匀,然后转移至刚玉坩埚;
2)将刚玉坩埚放置在马弗炉中,升温制度为:室温至300℃的升温速率为10℃/min,300-920℃的升温速率为5℃/min,然后在920℃保温3h,保温煅烧完成后,自然冷却至室温,即得。
煅烧产物的物相XRD图如图1所示,图中产物衍射峰的位置与α-Al2O3标准图谱中特征峰的位置完全吻合,证明煅烧产物为纯相的α-Al2O3。
将煅烧产物置于玛瑙研钵中研磨5min,随后在无水乙醇中进行超声分散,将所得溶液均匀涂抹在硅片上,然后喷金处理,在场发射扫描电镜下观察产物(见图2)形貌为多面体状,颗粒尺寸在100~200nm之间。 实施例2
一种低温制备多面体状纳米α-Al2O3粉的方法,具体包括如下步骤:
1)将工业Al(OH)3前驱体原料球磨5h,球料比15:1,转速为200r/min。随后称取4.0g球磨后的前驱体原料与0.050g AlF3∙3H2O和0.016g NH4F置于玛瑙研钵中研磨1h使其混合均匀,然后转移至刚玉坩埚;
2)将刚玉坩埚放置在马弗炉中,升温制度为:室温至300℃的升温速率为5℃/min,300-850℃的升温速率为2℃/min,然后在850℃保温3 h,保温煅烧完成后,自然冷却至室温,即得。
煅烧产物经XRD测试为纯相的α-Al2O3,SEM扫描电镜下观察产物形貌呈多面体状,颗粒尺寸在100~200nm之间。
实施例3
一种低温制备多面体状纳米α-Al2O3粉的方法,具体包括如下步骤:
将工业Al(OH)3前驱体原料球磨5h,球料比15:1,转速为200r/min。随后称取2.0g球磨后的前驱体原料与0.033g AlF3∙3H2O置于玛瑙研钵中研磨使其混合均匀,然后转移至刚玉坩埚进行煅烧;升温制度为:室温至300℃的升温速率为10℃/min,300-800℃的升温速率为5℃/min,然后在800℃保温3h后自然冷却至室温,收集坩埚中的粉体即得。
煅烧产物经XRD测试为纯相的α-Al2O3;SEM扫描电镜下观察产物形貌呈多面体状,颗粒尺寸在100~200nm之间。
实施例4
一种低温制备多面体状纳米α-Al2O3粉的方法,具体包括如下步骤:
将工业Al(OH)3前驱体原料球磨5 h,球料比15:1,转速为500r/min。随后称取2.0g球磨后的前驱体原料与0.020g NH4F置于玛瑙研钵中研磨使其混合均匀,然后转移至刚玉坩埚进行煅烧;升温制度为:室温至300℃的升温速率为5℃/min,300-950℃为5℃/min,然后在950℃保温3h后自然冷却至室温,收集坩埚中的粉体即得。
煅烧产物经XRD测试为纯相的α-Al2O3;SEM扫描电镜下观察产物形貌呈多面体状,颗粒尺寸在100~200nm之间。
实施例5
一种低温制备多面体状纳米α-Al2O3粉的方法,具体包括如下步骤:
将工业勃姆石(AlOOH)前驱体球磨5 h,球料比15:1,转速为500r/min。随后称取2.0g球磨后的前驱体原料与0.033g AlF3∙3H2O置于玛瑙研钵中研磨使其混合均匀,,然后转移至刚玉坩埚进行煅烧;升温制度为:室温至300℃的升温速率为10℃/min,300-800℃为5℃/min,然后在800℃保温3h后自然冷却至室温,收集坩埚中的粉体即得。
煅烧产物经XRD测试为纯相的α-Al2O3;SEM扫描电镜下观察产物形貌呈多面体状,颗粒尺寸在100~200nm之间。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对发明保护范围的限制,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种低温制备多面体状纳米α-氧化铝粉的方法,其特征在于,将球磨处理过的前驱体原料,与添加剂混合均匀,于800-1000℃煅烧即得。
2.如权利要求1所述低温制备多面体状纳米α-氧化铝粉的方法,其特征在于,所述前驱体原料为工业Al(OH)3和/或勃姆石AlOOH,所述添加剂为NH4F和/或AlF3∙3H2O,添加剂的加入量为前驱体原料质量的0.1-5%。
3.如权利要求1所述低温制备多面体状纳米α-氧化铝粉的方法,其特征在于,前驱体原料球磨时的球磨参数为:球料比为10-20:1,转速为200-500r/min,球磨时间为5-9h。
4.如权利要求1所述低温制备多面体状纳米α-氧化铝粉的方法,其特征在于,所述煅烧具体升温制度如下:以5-10℃/min的速度升温至300℃,再以2-5℃/min的速度升温至800-1000℃,然后保温3-5h,保温结束后自然冷却至室温即可。
5.采用权利要求1至4任一所述制备方法制备所得的多面体状纳米氧化铝粉。
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