CN112265973B - 一种纳米氮化铝粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氮化铝合成领域，公开了一种纳米氮化铝粉体的制备方法，包括：1）将固态铝输送至纳米氮化铝粉体合成装置的喷雾单元中加热熔化，然后以氮气为载气将铝液以铝雾形式喷出气化单元；2）铝液和氮气被加热至大于2327℃；3）铝气体和氮气下行进入反应单元，在下行过程中被向上喷出的冷却氮气降温至1300‑1500℃，发生合成反应生成氮化铝；4）氮化铝和氮气下行至冷却单元被冷却至40‑60℃；5）气粉经过气粉分离后获得纳米级的氮化铝粉体。通过本发明方法进行氮化铝合成，原料反应完全，合成所得氮化铝纯度高，粉体粒径均匀为纳米级且不易团聚，可实现连续化生产，产量高、产出快，所需配套设备少、成本低。

Description

一种纳米氮化铝粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及氮化铝合成领域，尤其涉及一种纳米氮化铝粉体的制备方法。

背景技术

人类进入21世纪，材料、信息、能源被誉为科学三大支柱，材料是人类生产生活的物质基础，是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术的出现和发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、高绝缘等优越性能才能在苛刻环境中使用。氮化铝材料由于期独特优异的明显特征而从新材料中脱颖而出，日益受到各国科学家高度重视。氮化铝自然界不存在，人工合成而来，属工业特种陶瓷材料，氮化铝具有优良的热、电、力学性能，耐高温、导热好(仅次于铝)、高绝缘、高硬度、耐磨、低膨胀、耐腐蚀，是理想的大规模集成电路散热基板、熔炼坩埚、浇铸模具、导热等材料。国内目前氮化铝粉体制备的品质为低端产品，纯度在95％以内，粒径在0.5微米以上，高纯、纳米级粉体技术掌握在日本、德国、美国手中，由于技术封锁、产品垄断和产品禁售、国际市场价格在100万元/吨以上，我国在该产业上落后15年以上。目前国内制备方法主要包括以下几大类：(1)直接氮化法：铝粉直接氮化法是在持续流动N₂(或NH₃)气氛条件下(或封闭的氮气气氛容器内)，铝粉与N₂(或NH₃)在较高温度下直接发生化学反应来制备AlN粉体的方法，反应方程式为：

2Al+N₂→2AlN

该方法的缺点是：铝的熔点为660℃，氮化温度为1000-1600℃，氮化时在铝水(液)表面会产生氮化铝层，会阻止N₂进一步向铝水(液)内部的渗透，氮化时释放的热量导致产物呈大块状，且纯度低。

(2)热还原法：将Al₂O₃粉末和过量的C(活性炭)粉末在一定温度(1200-1800℃)的流动N₂气氛条件下进行氮还原反应制备AlN粉末，反应方程式为：

Al₂O₃+3C+N₂→AlN+3CO↑

该方法的缺点是：合成时间长，温度高，合成后的过量C和CO的分离进行处理导致低成本高。

(3)电弧等离子火炬气化法：在密闭容器内将铝放在坩埚中熔化成铝水(液)，等离子火炬的火焰对着铝水(液)喷烧，使铝气化升华流入反应室，同时通入氮气降温反应合成。

该方法的缺点是：等离子火炬热转化率低于20％、高能耗、设备投资大；产生电弧的电极为紫铜和钨合金，超过5千度温度很快被烧蚀气化，被气化钨铜与铝气体混合在一起影响纯度；钨铜电极约100小时更换，耗材成本大；火炬电极水冷却，铜极在超高温下一旦烧蚀穿孔冷却水喷进坩埚引起瞬间水蒸汽膨胀而爆炸；由于生产成本过高，目前国内尚未形成工业化生产。

(4)电弧雾化法：可均匀同向移动的二根铝线作电极，铝线两头接近时产生电弧(高温)，瞬间铝线端部雾化，氮气喷射到电弧中间将铝雾喷出，铝雾与氮气在反应釜反应合成。

该方法的缺点是：由于铝雾粒子大小、温度不一、有些粒子表面氮化，中间未氮化，纯度也不高。

综上所述，现有技术中几种方法的技术难度主要在于：

(1)原料不能完全反应，或含杂质、纯度低。

(2)国内大都采用直接氮化法、热还原法，产品团聚块状，粉碎研磨是最大难题、成本高、粗细不均、磨料损耗进入粉体、研磨后颗粒难以达细度，对深加工品质受到很大影响。

(3)目前国内不能生产出高纯度(99.99％以上)、纳米级产品。

(4)间歇性生产：进料→预热→加热→反应→保温→冷却→出料→粉碎→分离→研磨→分离→干燥→分级→包装，一炉一炉来，设备利用率低。

(5)生产管理难：设备多、厂房大、环节多、工艺多、投资大、人员多。

(6)配套设施多：除粉尘、防静电、隔震动、清噪音等辅助设施。

为此，有必要开发出一种氮化铝粉体生产的新技术以解决上述技术难题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米氮化铝粉体的制备方法，本发明方法基于铝气化反应合成氮化铝，本发明方法原料反应完全，合成所得氮化铝粉体纯度高(可达99.99％以上)，粉体粒径均匀为纳米级且不易团聚，可实现连续化生产，产量高、产出快，所需配套设备少、成本低。

本发明的具体技术方案为：

一种纳米氮化铝粉体的制备方法，包括以下步骤：

1)将固态铝在氮气的保护下输送至纳米氮化铝粉体合成装置的喷雾单元中加热熔化，然后以氮气为载气将铝液以铝雾形式向下喷出至纳米氮化铝粉体合成装置的气化单元。

2)铝液和氮气在气化单元内被加热至大于2327℃，铝液转换为铝气体。

3)铝气体和氮气继续下行进入纳米氮化铝粉体合成装置的反应单元，在下行过程中被反应单元内向上喷出的冷却氮源气体涡旋气流降温至1300-1500℃，发生合成反应生成氮化铝粒子。

4)氮化铝粒子和氮气继续下行以螺旋喷雾形式进入纳米氮化铝粉体合成装置的冷却单元，在冷媒介质以及冷却氮气作用下冷却至40-60℃。

5)冷却后的氮化铝粒子和氮气从冷却单元底部出料，经过气粉分离后获得纳米级的氮化铝粉体。

本发明是基于铝气化反应来制备氮化铝合成，反应方程式为：2Al+N₂→2AlN+热量。合成工艺流程可概括为：

在喷雾单元中，固态铝颗粒(优选脱氧、高纯、相同尺寸的铝圆粒)加热熔化，氮气将铝液以铝雾形式输送到气化单元。

在气化单元中，铝雾、氮气在气化室加热(2500℃左右)成铝气体(单原子)，铝气体、氮气体继续通向反应单元。

在反应单元中，通入氮气用来降温至1300-1500℃，铝气体(单原子)和氮气发生反应合成氮化铝。

在冷却单元中，对合成所得的氮化铝进一步冷却，出料。

本发明方法原料反应完全，合成所得氮化铝纯度高(可达99.99％以上)，粉体粒径均匀为纳米级且不易团聚，可实现连续化生产，产量高、产出快，所需配套设备少、成本低。

作为优选，步骤1)中：将固态铝加热至1600-1700℃。所述铝雾呈圆锥形喷出，内角90-120°、边长30-40mm、雾粒径3-5微米；喷出铝雾每秒1.5-2克重，喷雾输送氮气每秒0.8-1立方分米。

作为优选，外壳内气压为0.12-0.15MPa。

作为优选，步骤1)中：作为载体的氮气的压力为0.55-0.6MPa；喷雾单元的铝液仓内通氩气加压至0.5-0.55MPa。

作为优选，步骤2)中：气化单元的气压为0.1-0.13MPa。气化时间为20-30s。

作为优选，步骤3)中：反应单元的气压为0.09-0.12MPa。反应时间25-40s。

作为优选，步骤4)中：冷却单元的气压为0.07-0.1MPa。冷却时间40-50s。

作为优选，步骤5)中，气粉分离压力为0.07-0.1MPa，气粉分离时间140-150s。作为优选，步骤3)中，所述冷却氮源气体涡旋气流呈扇形50-70°内角螺旋。冷却氮源气体为0-10℃的氮气和氨气的混合气体；氮气流量为每秒1-1.5立方分米；氨气由液氨转换而来，液氨流量为每秒0.75-1立方厘米；合成所耗氮气每秒1.3-1.5立方分米。

作为优选，步骤4)中，所述螺旋喷雾为90-120°扇形螺旋旋转气流；冷却氮气流量为每秒1.5-2立方分米；冷却氮气温度为-10～0℃；冷媒介质温度10-50℃。

本发明还提供了一种纳米氮化铝粉体合成生产线，包括：纳米氮化铝粉体合成装置、物料收集系统、供氮系统、制冷系统和供氩系统。

所述纳米氮化铝粉体合成装置包括：外壳、设于外壳内的喷雾单元、设于外壳内且衔接于喷雾单元下方的气化单元、设于外壳内且衔接于气化单元下方的反应单元和衔接于气化单元下方的冷却单元。

所述物料收集系统与冷却单元的出口连接用于物料的气粉分离、回收和包装。

所述供氮系统用于喷雾单元、反应单元和冷却单元的氮气供应。

所述制冷系统用于喷雾单元、气化单元和冷却单元的冷媒介质循环供应。

所述供氩系统与喷雾单元(铝液仓顶部)、外壳连通用于氩气供应。

作为优选，所述物料收集系统包括气粉分离装置、包装装置和回收气体储罐；所述气粉分离装置与冷却单元的出口连接，所述包装装置和回收气体储罐分别与气粉分离装置的粉料出口和气体出口连接；回收气体储罐还分别为包装装置和喷雾单元(送铝机构)提供动力用气。

作为优选，所述制氮系统包括制氮装置、氮气罐、氮气冷冻机和液氨罐；所述制氮装置与氮气罐连接，氮气罐分别与喷雾单元、反应单元和冷却单元连接，且氮气罐与反应单元和冷却单元连接的管路上设有所述氮气冷冻机；所述液氨罐与反应单元连接。

本发明对反应单元同时采用氮气和液氨输送氮源，其好处在于：①在装置外微量液氨添加到氮气中输入反应单元，液氨在反应单元升温后分解为氢原子和氮原子，由于铝材料和氮气中含微量含氧成分，氢原子与气化单元下行的气体中的氧结合为水，起脱氧作用；②氮气输入反应单元与气化单元下行的气体混合后降温至1300-1500°后氮气与铝气体反应合成氮化铝，氮气为反应原料；③在反应单元氮气与铝气体反应合成氮化铝粉体是气体变固体、降温800-1000°，压力迅速下降，输入的氮气使气压保持。

本发明中供氩系统的氩气通入喷雾单元的铝液仓，与铝液仓内氮气输送管同步加压，使铝液通过喷嘴喷出；氩气通入外壳内，起保压作用。

本发明制冷系统中的冷媒介质的分布走向：①一路通入喷雾单元顶盖；②二路通入气化单元、反应单元的测压口的连接管冷却；③一路通入感应线圈冷却；④二路通入冷却单元的上下段部。

本发明中氮气罐中的氮气分五路分布走向：①通入送铝机构，用作保护气体、动力用气；②通入喷雾单元的氮气喷管，气载喷雾；③通入反应单元，起降温、反应、增压作用；④通入冷却单元，起降温、增压作用；⑤通入氮气冷冻机，制冷后的氮气分二路通向反应单元和冷却单元。本发明中的液氨通入反应单元。

本发明中从冷却单元出口的气粉经气粉分离后，气体经增压泵回收，气粉25-30℃。

本发明中回收气体使用及分布走向为：①包装设备动力用气；②送铝机构动力用气；③送铝机构下料阀动力用气。

作为优选，所述喷雾单元包括：送铝机构、保温壳体、加热罩、铝液仓、氮气喷管和绝缘盖座。所述加热罩设于保温壳体内，加热罩内壁上布设有电热丝；所述铝液仓的中下段设于加热罩内且与加热罩内壁之间设有间隙，铝液仓的底部延伸出加热罩底部且设有向下的雾化喷嘴；所述氮气喷管通入铝液仓内中央且其出气口朝向所述雾化喷嘴；所述送铝机构设于铝液仓的顶部；所述绝缘盖座设于保温壳体和加热罩的下方，绝缘盖座的内圈与铝液仓的底部外壁之间设有间隙。

本发明喷雾单元的工作原理为：铝液仓内通氩气加压至0.5-0.55MPa，加热罩分部加热、分部控温，在铝液仓上部将固态铝颗粒加热至700-800℃，中下部以不同的电功率将铝液加热至1600-1700℃；氮气喷管内通入氮气加压0.55-0.6MPa(5.5-6公斤)作喷雾输送气体，通过雾化喷嘴喷出铝雾进入气化单元。

作为优选，所述喷雾单元通过托架固定于外壳内。具体地，托架可以是由四支金属条相互垂直与中间圆环(陶瓷材质)连结而成，托架金属条置放在外壳内壁的挡块上，使托架悬挂。发热罩挂于托架上，底部嵌入绝缘盖座。铝液仓从外壳顶部的法兰口插入发热罩内，与发热罩的发热丝之间设有间隙，喷雾单元上部法兰固定在外壳顶部的法兰上。

作为优选，所述绝缘盖座的内圈与铝液仓的底部外壁之间的间隙为1-2mm。

喷雾单元底部隔着嵌入气化单元内的绝缘盖座内圈，绝缘盖座安置于气化单元上方。需要特别注意的是，圆环形绝缘盖座的内圈与铝液仓的底部外壁留有1-2mm间隙，间隙能够确保铝液仓加热膨胀后有足够的伸缩预留空间。而绝缘盖座的作用是：气化单元采用中频感应加热，发热体内层中设有发热体内层，会产生感应电，铝液仓为钨合金材质，绝缘盖座可隔绝发热体内层、铝液仓等热膨胀后接触导电。

作为优选，所述外壳上设有氩气入口。

本发明对外壳内部通氩气的作用在于：①由于本发明装置中的发热填充体、隔热层以及隔热板等优选石墨及石墨硬毡等材质，因此在高温下容易散发出碳微粒。为此，本发明有针对性地向外壳内通氩气起保护作用，使碳微粒不散发，保持耐用；防止碳微粒渗透进入气化单元、反应单元使氮化铝纯度降低。②由于绝缘盖座与铝液仓之间存在间隙，因此气化单元中铝气化后膨胀产生气压会向该间隙缝溢出，而控制通入氩气的压力≥气化室的压力，可使室内外气压保持相平稳。

作为优选，铝液仓顶部设有氩气进口。本发明对铝液仓顶部通氩气的作用在于：①由于喷雾嘴的口径小于0.5mm，铝液流动性差、阻力大，氮气喷管口对着喷雾嘴口喷气时，氮气从铝液中冒上铝液仓上部空间，一是喷出铝液不能雾化、上部温度过高，二是上部铝液面与氮气氮化合成一层氮化铝膜，以致铝液化、雾化终止。②上部通入氩气与氮气喷管同时加压，氮气带着铝液从喷嘴喷出形成雾状，氩气为惰性气体，不与铝液发生反应。

作为优选，所述送铝机构与铝液仓之间的管道上设有串联且交错开关的两道阀门。

在现有技术中，送铝机构与加热熔融机构之间的管道中通常只设有一道阀门，或者即使设有多道阀门但也只是作为备用，并未进行有针对性的联动配合。而本发明在送铝机构与铝液仓之间的管道上设有串联且交错开关的两道阀门。两道阀门相隔间装铝圆粒，当下阀门打开时，铝圆粒自动脱落至喷雾单元内；当上阀门打开时铝圆粒从料仓中落入管内，可根据需要例如每2-3秒上下阀门开关一次，进料一次。通过该小量、频繁的特殊进料方式能够有效减小喷雾单元内压力脉冲波动，使喷雾均匀。

作为优选，所述送铝机构上设有氮气入口。

发明人在实践中发现，现有技术的固态铝送料装置，由于在上料时有空气带人，物料之间发生摩擦，容易产生静电和铝氧化。为此，本发明在送铝机构的料仓以及输送管道中通氮气将空气排出，在氮气的保护中工作，能够避免摩擦产生静电和铝氧化。

作为优选，所述雾化喷嘴喷出的物料形状为圆锥形，内角90-120°、边长30-40mm、雾粒径3-5微米。喷出铝雾每秒1.5-2克重，喷雾输送氮气每秒0.8-1立方分米。

本发明将铝雾喷出的条件具体限制在上述条件的原因在于：①当喷雾角度小于90°时雾锥体体积缩小，雾粒分布密度增大，颗粒增大，不易气化；②当喷雾角度小于90°时雾锥体体积缩小，雾锥体的高度增加，铝雾接近缩腰结构，缩腰口部位温度相对较低，随着铝雾氮气热膨胀、气化塞(室)和反应塞(室)的压力差，未雾气化的铝雾直接流进反应塞(室)，以致反应不完全。

作为优选，所述加热罩和铝液仓的上段口径大于下段口径。

作为优选，所述铝液仓的顶壁上设有上冷媒夹套。

所述电热丝、铝液仓、雾化喷嘴和氮气喷管为钨合金材料；所述发热罩、绝缘盖座为陶瓷材料。

作为优选，所述气化单元包括：由上保温绝缘外层、隔热中层和发热体内层依次构成的气化室、感应线圈。所述气化室的顶部中央设有用于安置绝缘盖座的开口；气化室的底部中央设有连通反应单元的开口；所述感应线圈包裹于上保温绝缘外层的外侧；所述发热体内层的底部呈口径递减的锥形，所述锥形与隔热中层之间的空隙处填充有发热填充体和隔热板；所述隔热板位于气化室的底部位置。

本发明气化单元的工作原理为：采用中频感应线圈将发热体内层感应加热至2500℃左右，使气化室内空间温度超过2327℃(铝气化温度2327℃)，气化室内的铝气体、氮气体加热后体积膨胀，铝雾连续喷入，气化室内产生一定的气压，气流向下通入反应单元。

气化室的底部与反应单元之间设计有呈沙漏状的缩腰结构。该结构的作用是：①起保温作用，缩腰后上下气体流速减慢，使铝雾在气化室停留时间增长，达到铝雾完全气化；②气化室温度要求2500℃，反应室温度要求1300-1500℃，温差1000-1200℃，通过缩腰结构将其隔开，可控制上下两室温度。

由于缩腰结构处的发热体内层离感应线圈较远，感应加热效果较差。为此本发明在该结构内部填充有发热填充体，感应加热时先对发热填充体加热，然后发热填充体再传热至发热体内层，确保气化室底部的温度。

气化室与反应室的温差达到900-1000℃，为了使各自区域保持相应的温度，本发明缩腰结构的底部设置有隔热板，使上下不传热。

作为优选，所述反应单元包括：由下保温绝缘外层和耐热内层构成的反应室、涡旋喷管。所述耐热内层的底部呈口径递减的锥形，锥形底部中央连接有出料管，所述涡旋喷管通过出料管由反应室外伸入反应室内，且涡旋喷管的出气端设有涡旋喷嘴，所述涡旋喷嘴位于气化室底部开口正下方且喷气方向向上。

本发明反应单元的工作原理为：铝气体、氮气体流入反应室时温度＞2327℃，此时的铝气体、氮气体(部分离解单原子)非常活泼，而反应最佳温度为1300-1500℃，为了实现快速降温，本发明采用通氮气方式降温至反应温度，反应原料快速反应合成氮化铝。

然而，发明人在试验过程中发现了新的技术问题：该合成反应是一个气体变固体过程，气体体积急剧收缩，压力迅速缩小，导致气化室与反应室产生压差，上下流速会过快。为此，本发明将外部氮气通过涡旋喷嘴以螺旋形式向下行气流对吹，对吹的气流向四周螺旋扩散，使气体分布均匀、气温均匀、反应均匀、反应完全。通入氮气为过量氮气，过量氮气带动粉体流动。以该方式将外部氮气后输入后可保持气化室和反应室上下气压均衡、物料流速减慢。

作为优选，所述涡旋喷嘴喷出的气流呈扇形50-70°内角螺旋。

本发明将气流具体限制在上述角度的原因在于：①内角小于50°时，扇形弧短，气流喷射力大，容易将下行的铝气体喷射到反应室顶部，顶部温度过高，反弹下来的气流快速流入冷却单元，导致降温不均匀，反应不完全；②内角大于70°时，扇形弧长长，气体密度小，喷射力小，不易将下行的铝气体吹散，铝气体包裹在涡旋喷嘴周围，降温不均匀，反应不完全。

作为优选，所述上保温绝缘外层和下保温绝缘外层为一体成型；所述发热体内层和耐热内层分体成型，，插入连接。作为优选，所述上、下保温绝缘外层为保温棉材质；所述隔热中层和隔热板为石墨硬毡材质；所述发热填充体为石墨材质。所述发热体内层、耐热内层为钨合金材料。

作为优选，所述反应单元通过底托座架设于外壳底部；所述底托座为陶瓷材质。

作为优选，喷雾单元、气化单元、反应单元安装在同一不锈钢材质外壳中，采用组织式层层叠放安装，安装时在陶瓷底托上放置反应室内层、内层上叠放隔热板，隔热板上放置其它填充发热材料，其它发热材料上放置气化单元发热体，气化单元发热体上放置隔热板，隔热板上同时放置绝缘盖座，在气化单元和反应单元安装隔热保温材料，在气化单元四周安装感应线圈，在外壳上部安装托加，发热罩从托架圆环内圈插入放置在圆环上，盖上外壳上盖，铝液仓从上盖顶部法兰口经发热罩内圈插入绝缘盖座内圈，铝液仓法兰与上盖法兰固定，组装式安装不需焊接，在使用过程需要部件更换、修理、清理带来极大方便。

作为优选，所述冷却单元包括：冷却室壳体、螺旋喷嘴和下冷媒夹套；冷却室壳体的顶部中央设有开口，所述螺旋喷嘴设于开口处且通过连接法兰与反应单元的出料管连接，螺旋喷嘴方向向下；冷却室壳体上设有氮气进口，冷却室壳体的底部呈口径递减的锥形，锥形底部中央为气粉出口；所述下冷媒夹套设于冷却室壳体的外侧。

本发明的冷却单元采用冷媒夹套(优选水冷)和氮气冷却两种方式联合冷却，该联合冷却的优点在于：①从反应室流入冷却单元的气粉温度需要由约1450℃降至50℃左右，温差达1400℃，在短时间内无法快速冷却，水冷却相对氮气冷却成本低，但时长，冷却不均匀，冷却速率慢，且颗粒还容易团聚黏合；而配合氮气冷却不仅可降低冷却时间，且可有效冲散团聚颗粒。②气粉在冷却单元内迅速冷却后，压力迅速缩小，导致反应室与冷却室的压力差加大，使气粉流动过快，在冷却室内通入氮气冷却，可增加冷却室的压力，使反应室流向冷却室气粉流速减慢，气粉减速的同时也为其冷却争取了更多时间。本发明冷却单元设置有朝向反应室底部开口的螺旋喷嘴，其作用在于：①气粉通过螺旋喷嘴中螺旋条的阻挡，降低气粉直喷下沉速度，从而有效减轻粉末对内壁的冲击。②反应室合成粉末经出料管时，颗粒受到挤压，密度增大容易产生团聚，经螺旋喷嘴螺旋条撞击后可将其打散。③经螺旋喷嘴喷出的螺旋气粉在冷却室分布均匀，冷却快速、均匀。

本发明冷却单元的螺旋喷嘴通过连接法兰与反应室底部的出料管紧密连接，可起到控制气粉流量作用(选择连接管不同的内径)。

作为优选，气粉从所述螺旋喷嘴的螺旋条间隙喷出，形成内角90-120°扇形螺旋旋转气流。

本发明将螺旋旋转气流具体限制在上述角度的原因在：①颗粒通过喷嘴管道时容易团聚，内角大于120°时，气粉在喷嘴螺旋条喷射力减小，不易打散团聚颗粒；②内角小于90°时，喷射力大，流速过快，降温不均匀，颗粒还会产生团聚。

作为优选，所述出料管、连接法兰为钨合金材料；螺旋喷嘴为陶瓷材料。

作为优选，所述外壳、喷雾单元、气化单元、反应单元和冷却单元的不同位置设有测温口和测压口。

作为优选，冷却单元采用上下二段分体法兰连接，优点：卸掉下段时，从敞开口安装、更换涡旋喷管、螺旋喷嘴、修复、清理极为方便。

综上，本发明装置在实施过程中，需做好以下几点：①控制喷雾单元中的铝水的压力、温度，氮气喷管中的气压、气流量，确保铝雾粒径在3-5微米之间。②气化室温度＞2327℃，反应室为1300-1500℃。③为了促进反应，气体、气粉流速稳定，需采取分部气压存在压差。④为了理想反应，需要降温至1300-1500℃；而反应合成又是放热反应，下落时容易产生团聚大颗粒；此外铝气体与氮气反应合成氮化铝粉体是降温后反应、是气体变固体，反应室内压力减少。因此需要控制好向反应室通入氮气的方式以及工艺来实现降温、补气、匀温、增压、防止颗粒团聚。

本发明在反应室的出料管中通入一支出口为涡旋喷嘴的涡旋喷管，喷嘴居中向上与气化室下行气体对吹，涡旋喷嘴喷出气流成扇形螺旋，与下行气体混合均匀，降温至1300-1500℃产生反应，降温后使气压减小、铝气体与氮气反应合成氮化铝粒子，过量氮气与粒子比重增大，使氮气与粒子慢速下沉，边反应边下落进入冷却单元。反应室为漏斗形，进入冷却单元气粉经过缩径管道时温度1300-1500℃，气粉密度增大而产生碰撞团聚。因此反应室下端出料管延伸至冷却单元，气粉经过螺旋喷嘴的螺旋条撞击后打散并经螺旋条之间的间隙喷出，形成扇形旋转气流，经水、冷氮气急冷降温，不产生团聚大颗粒。无需后道的粉碎研磨，保证了直接形成了高纯度、高细度、纳米级粉体，粉体易深加工，烧结活性好。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

(1)本发明方法通过生产线中各系统和合成装置中各单元间协同配合以及优化设计，用于氮化铝合成，不仅原料反应完全，而合成所得氮化铝纯度高(可达99.99％以上)，粉体粒径均匀为纳米级且不易团聚。

(2)本发明纳米氮化铝粉体合成装置从喷雾单元的送铝机构连续进料，从冷却单元底部连续出料，形成连续流水生产，可实现连续化生产，产量高、产出快。

(3)本发明生产线所需配套设备少、成本低。

附图说明

图1为本发明生产线的一种连接示意图；

图2为本发明纳米氮化铝粉体合成装置的一种内部结构剖视图；

图3为本发明纳米氮化铝粉体合成装置中用于悬挂喷雾单元的托架的一种俯视图；

图4为本发明纳米氮化铝粉体合成装置喷雾单元中铝液仓和氮气喷管的一种结构示意图；

图5为本发明纳米氮化铝粉体合成装置喷雾单元中发热罩的一种结构示意图；

图6为本发明纳米氮化铝粉体合成装置喷雾单元中铝液仓和绝缘盖座之间间隙的一种结构示意图；

图7为本发明纳米氮化铝粉体合成装置气化单元的一种结构示意图；

图8为本发明纳米氮化铝粉体合成装置反应单元的一种结构示意图；

图9为本发明纳米氮化铝粉体合成装置冷却单元的一种结构示意图；

图10为本发明纳米氮化铝粉体合成装置中反应单元出料管、连接法兰和冷却单元螺旋喷嘴的一种拆分示意图。

附图标记为：

纳米氮化铝粉体合成装置1、制冷系统2、供氩系统3、气粉分离装置4、包装装置5、回收气体储罐6、制氮装置7、氮气罐8、氮气冷冻机9、液氨罐10；

外壳100、氩气入口101、托架102、底托座103、测温口104、测压口105；

送铝机构201、保温壳体202、加热罩203、铝液仓204、氮气喷管205、绝缘盖座206、电热丝207、氩气进口208、雾化喷嘴209、阀门210、氮气入口211、上冷媒夹套212；

上保温绝缘外层301、隔热中层302、发热体内层303、感应线圈304、发热填充体305、隔热板306；

下保温绝缘外层401、耐热内层402、涡旋喷管403、出料管404、涡旋喷嘴405；

冷却室壳体501、螺旋喷嘴502、下冷媒夹套503、连接法兰504、氮气进口505、气粉出口506。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1所示，一种氮化铝合成生产线，包括：纳米氮化铝粉体合成装置1、物料收集系统、供氮系统、制冷系统2和供氩系统3。

具体地：

如图2所示，所述纳米氮化铝粉体合成装置包括：外壳100、设于外壳内的喷雾单元、设于外壳内且衔接于喷雾单元下方的气化单元、设于外壳内且衔接于气化单元下方的反应单元和衔接于气化单元下方的冷却单元。

如图1所示，所述物料收集系统与冷却单元的出口连接用于物料的气粉分离、回收和包装。物料收集系统包括气粉分离装置4、包装装置5和回收气体储罐6。所述气粉分离装置与冷却单元的出口连接，所述包装装置和回收气体储罐分别与气粉分离装置的粉料出口和气体出口连接(在回收气体储罐与气粉分离装置之间的管路上设有增压泵)；回收气体储罐还分别与包装装置和喷雾单元(送铝机构)连接以供应动力用氮气。

如图1所示，所述供氮系统包括制氮装置7、氮气罐8、氮气冷冻机9和液氨罐10。所述制氮装置与氮气罐连接，氮气罐分别与喷雾单元、反应单元和冷却单元连接，且氮气罐与反应单元和冷却单元连接的管路上设有氮气冷冻机；所述液氨罐与反应单元连接。

如图1所示，所述制冷系统用于喷雾单元、气化单元和冷却单元的冷媒介质循环供应，管路中设有输送泵。

如图1所示，所述供氩系统与喷雾单元(铝液仓顶部)、外壳连通用于氩气供应。

更具体地，纳米氮化铝粉体合成装置中：

如图2所示，所述外壳的侧壁上部设有氩气入口101。

如图2及图4-5所示，喷雾单元包括：送铝机构201、保温壳体202、加热罩203、铝液仓204、氮气喷管205和绝缘盖座206。所述送铝机构设于铝液仓的顶部，送铝机构与铝液仓之间的管道上设有串联且交错开关的两道阀门210(每2-3秒上下阀门开关一次，进料一次)。送铝机构上设有氮气入口211。所述加热罩设于保温壳体内，加热罩内壁上布设有电热丝207；所述铝液仓的中下段设于加热罩内且与加热罩内壁之间设有间隙，加热罩和铝液仓的上段口径大于下段口径。铝液仓的顶部设有氩气进口208，铝液仓的顶壁上设有上冷媒夹套212，铝液仓的底部延伸出加热罩底部且设有向下的雾化喷嘴209；所述氮气喷管通入铝液仓内中央且其出气口朝向所述雾化喷嘴；所述绝缘盖座设于保温壳体和加热罩的下方，如图5所示，绝缘盖座的内圈与铝液仓的底部外壁之间设有间隙(1.5mm)。其中，雾化喷嘴喷出的物料形状为圆锥形，雾粒径3-5微米。

喷雾单元通过金属材质的托架102固定于外壳内。如图3所示，托架由四支金属条相互垂直与陶瓷材质的中间圆环连结而成，托架金属条置放在外壳内壁的挡块上，使托架悬挂，将发热罩上部挂在圆环上，圆环垫有隔热材料，发热罩底部嵌入放置于气化单元上的、起定位作用的绝缘盖座，。在喷雾单元中，铝液仓、雾化喷嘴和氮气喷管、发热丝为钨合金材料；所述发热罩、绝缘盖座为陶瓷材料。

如图2及图7所示，气化单元包括：由上保温绝缘外层301、隔热中层302和发热体内层303依次构成的气化室、感应线圈304。气化室的顶部中央设有用于安置绝缘盖座的开口；气化室的底部中央设有连通反应单元的开口；所述感应线圈包裹于上保温绝缘外层的外侧；所述发热体内层的底部呈口径递减的锥形，所述锥形与隔热中层之间的空隙处填充有发热填充体305和隔热板306；所述隔热板位于气化室的底部位置。

如图2及图8所示，反应单元通过陶瓷材质的底托座103架设于外壳底部。反应单元包括：由下保温绝缘外层401和耐热内层402构成的反应室、涡旋喷管403。所述耐热内层的底部呈口径递减的锥形，锥形底部中央连接有出料管404，所述涡旋喷管通过出料管由反应室外伸入反应室内，且涡旋喷管的出气端设有涡旋喷嘴405，所述涡旋喷嘴位于气化室底部开口正下方且喷气方向向上。涡旋喷嘴喷出的气流呈扇形内角螺旋。

上保温绝缘外层和下保温绝缘外层为一体成型；所述发热体内层和耐热内层为分体式插入连接。上、下保温绝缘外层为保温棉材质；隔热中层和隔热板为石墨硬毡材质；发热填充体为石墨材质。发热体内层、耐热内层为钨合金材料。

如图2及图9所示，冷却单元包括：冷却室壳体501、螺旋喷嘴502和下冷媒夹套503。冷却室壳体的顶部中央设有开口。如图10所示，所述螺旋喷嘴设于开口处且通过连接法兰504与反应单元的出料管连接，螺旋喷嘴方向向下，气粉从所述螺旋喷嘴的螺旋条间隙喷出，形成扇形螺旋旋转气流。冷却室壳体上设有氮气进口505，冷却室壳体的底部呈口径递减的锥形，锥形底部中央为气粉出口506；所述下冷媒夹套设于冷却室壳体的外侧。其中，出料管、连接法兰为钨合金材料；螺旋喷嘴为陶瓷材料。

此外，外壳、喷雾单元、气化单元、反应单元和冷却单元的不同位置上设有测温口104和测压口105。

本发明生产线中，控制纳米氮化铝粉体合成装置内气压1.2-1.5公斤、气化室气压1-1.3公斤、反应室气压0.9-1.2公斤、冷却单元内气压0.7-1公斤。控制喷雾单元的铝液仓700-800℃、氮气喷管1600-1700℃、气化室2400-2500℃、反应室1300-1500℃、冷却单元温度40-60℃。

一种纳米氮化铝粉体的制备方法，包括以下步骤：1)将固态铝输送至纳米氮化铝粉体合成装置的喷雾单元中逐步加热至1600-1700℃熔化，然后铝液仓、喷雾管同时加气压，喷雾管的氮气为载气将铝液以铝雾形式从喷嘴向下喷出至气化单元。其中，所述铝雾呈圆锥形喷出，内角105°、边长35mm、雾粒径3-5微米；喷出铝雾每秒1.75克重，喷雾输送氮气每秒0.9立方分米。作为载体的氮气的压力为0.55-0.6MPa；铝液仓内通氩气加压至0.5-0.55MPa。

2)铝液和氮气在气化单元内被加热至大于2327℃，铝液转换为铝气体。气化时间为20-30s。

3)铝气体和氮气继续下行进入纳米氮化铝粉体合成装置的反应单元，在下行过程中被反应单元内向上喷出的冷却氮源气体涡旋气流(呈扇形60°内角螺旋，为0-10℃的氮气和氨气的混合气体；氮气流量为每秒1.25立方分米；氨气由液氨转换而来，液氨流量为每秒0.8立方分米；合成所耗氮气每秒1.4立方分米)降温至1300-1500℃，发生合成反应生成氮化铝，反应时间25-40s。

4)氮化铝和氮气继续下行以螺旋喷雾(105°扇形螺旋旋转气流)形式进入纳米氮化铝粉体合成装置的冷却单元，在冷媒介质(水温10-50℃)以及冷却氮气(流量每秒1.75立方分米；温度-10～0℃)作用下冷却至40-60℃，冷却时间40-50s。

5)冷却后的氮化铝和氮气从冷却单元底部出料，经过气粉分离后获得纳米级的氮化铝粉体。其中，气粉分离压力为0.07-0.1MPa，气粉分离时间140-150s。

本发明方法与国内同行比较(同等设备投资)，数据如下：

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：

步骤1)中，铝雾呈圆锥形喷出，内角90°、边长30mm、雾粒径3-5微米；喷出铝雾每秒1.5克重，喷雾输送氮气每秒0.8立方分米。

步骤3)中，氮源气体涡旋气流呈扇形50°内角螺旋，为0-10℃的氮气和氨气的混合气体；氮气流量为每秒1立方分米；液氨流量为每秒0.75立方厘米；合成所耗氮气每秒1.3立方分米。

步骤4)中，螺旋喷雾为90°扇形螺旋旋转气流，冷却氮气流量每秒1.5立方分米。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于：

步骤1)中，铝雾呈圆锥形喷出，内角120°、边长40mm、雾粒径3-5微米；喷出铝雾每秒2克重，喷雾输送氮气每秒1立方分米。

步骤3)中，氮源气体涡旋气流呈扇形70°内角螺旋，为0-10℃的氮气和氨气的混合气体；氮气流量为每秒1.5立方分米；液氨流量为每秒1立方厘米；合成所耗氮气每秒1.5立方分米。

步骤4)中，螺旋喷雾为120°扇形螺旋旋转气流，冷却氮气流量每秒2立方分米。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米氮化铝粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将固态铝输送至纳米氮化铝粉体合成装置的喷雾单元中加热熔化，然后以氮气为载气将铝液以铝雾形式向下喷出至纳米氮化铝粉体合成装置的气化单元；

2）铝液和氮气在气化单元内被加热至大于2327℃，铝液转换为铝气体；

3）铝气体和氮气继续下行进入纳米氮化铝粉体合成装置的反应单元，在下行过程中被反应单元内向上喷出的冷却氮源气体涡旋气流降温至1300-1500℃，发生反应合成氮化铝粒子；

4）氮化铝粒子和氮气继续下行以螺旋喷雾形式进入纳米氮化铝粉体合成装置的冷却单元，在冷媒介质以及冷却氮气作用下冷却至40-60℃；

5）冷却后的氮化铝粒子和氮气从冷却单元底部出料，经过气粉分离后获得纳米级的氮化铝粉体。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中：

将固态铝加热至1600-1700℃；和/或

所述铝雾呈圆锥形喷出，内角90-120°、边长30-40mm、雾粒径3-5微米；喷出铝雾每秒1.5-2克重，喷雾输送氮气每秒0.8-1立方分米。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤1）中：作为载气的氮气的压力为0.55-0.6MPa；

步骤2）中：气化单元的气压为0.1-0.13MPa；气化时间为20-30s；

步骤3）中：反应单元的气压为0.09-0.12MPa；反应时间25-40s；

步骤4）中：冷却单元的气压为0.07-0.1MPa；冷却时间40-50s；

步骤5）中，气粉分离压力为0.07-0.1MPa，气粉分离时间140-150s。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤3）中，所述冷却氮源气体涡旋气流呈扇形50-70°内角螺旋；冷却氮源气体为0-10℃的氮气和氨气的混合气体；氮气流量为每秒1-1.5立方分米；氨气由液氨转换而来，液氨流量为每秒0.75-1立方厘米；合成所耗氮气每秒1.3-1.5立方分米；和/或

步骤4）中，所述螺旋喷雾为90-120°扇形螺旋旋转气流；冷却氮气流量为每秒1.5-2立方分米；冷却氮气温度为-10~0℃；冷媒介质温度10-50℃。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：通过纳米氮化铝粉体合成生产线完成；所述纳米氮化铝粉体合成生产线包括：

纳米氮化铝粉体合成装置（1）、物料收集系统、供氮系统、制冷系统（2）和供氩系统（3）；

所述纳米氮化铝粉体合成装置包括：外壳（100）、设于外壳内的喷雾单元、设于外壳内且衔接于喷雾单元下方的气化单元、设于外壳内且衔接于气化单元下方的反应单元和衔接于气化单元下方的冷却单元；

所述物料收集系统与冷却单元的出口连接用于物料的气粉分离、回收和包装；

所述供氮系统用于喷雾单元、反应单元和冷却单元的氮气供应；

所述制冷系统用于喷雾单元、气化单元和冷却单元的冷媒介质循环供应；

所述供氩系统与喷雾单元、外壳连通用于氩气供应。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

所述物料收集系统包括气粉分离装置（4）、包装装置（5）和回收气体储罐（6）；所述气粉分离装置与冷却单元的出口连接，所述包装装置和回收气体储罐分别与气粉分离装置的粉料出口和气体出口连接；回收气体储罐还分别与包装装置和喷雾单元连接以供应动力用气；

所述制氮系统包括制氮装置（7）、氮气罐（8）、氮气冷冻机（9）和液氨罐（10）；所述制氮装置与氮气罐连接，氮气罐分别与喷雾单元、反应单元和冷却单元连接，且氮气罐与反应单元和冷却单元连接的管路上设有所述氮气冷冻机；所述液氨罐与反应单元连接。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述外壳上设有氩气入口（101）。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述喷雾单元包括：送铝机构（201）、保温壳体（202）、加热罩（203）、铝液仓（204）、氮气喷管（205）和绝缘盖座（206）；所述加热罩设于保温壳体内，加热罩内壁上布设有电热丝（207）；所述铝液仓的中下段设于加热罩内且与加热罩内壁之间设有间隙，铝液仓的顶部设有氩气进口（208），铝液仓的底部延伸出加热罩底部且设有向下的雾化喷嘴（209）；所述氮气喷管通入铝液仓内中央且其出气口朝向所述雾化喷嘴；所述送铝机构设于铝液仓的顶部；所述绝缘盖座设于保温壳体和加热罩的下方，绝缘盖座的内圈与铝液仓的底部外壁之间设有间隙；

所述气化单元包括：由上保温绝缘外层（301）、隔热中层（302）和发热体内层（303）依次构成的气化室、感应线圈（304）；所述气化室的顶部中央设有用于安置绝缘盖座的开口；气化室的底部中央设有连通反应单元的开口；所述感应线圈包裹于上保温绝缘外层的外侧；所述发热体内层的底部呈口径递减的锥形，所述锥形与隔热中层之间的空隙处填充有发热填充体（305）和隔热板（306）；所述隔热板位于气化室的底部位置；

所述反应单元包括：由下保温绝缘外层（401）和耐热内层（402）构成的反应室、涡旋喷管（403）；所述耐热内层的底部呈口径递减的锥形，锥形底部中央连接有出料管（404），所述涡旋喷管通过出料管由反应室外伸入反应室内，且涡旋喷管的出气端设有涡旋喷嘴（405），所述涡旋喷嘴位于气化室底部开口正下方且喷气方向向上；

所述冷却单元包括：冷却室壳体（501）、螺旋喷嘴（502）和下冷媒夹套（503）；冷却室壳体的顶部中央设有开口，所述螺旋喷嘴设于开口处且通过连接法兰（504）与反应单元的出料管连接，螺旋喷嘴方向向下；冷却室壳体上设有氮气进口（505），冷却室壳体的底部呈口径递减的锥形，锥形底部中央为气粉出口（506）；所述下冷媒夹套设于冷却室壳体的外侧。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：

所述绝缘盖座的内圈与铝液仓的底部外壁之间的间隙为1-2mm；和/或

所述送铝机构与铝液仓之间的管道上设有串联且交错开关的两道阀门（210）；和/或

所述送铝机构上设有氮气入口（211）；和/或

所述加热罩和铝液仓的上段口径大于下段口径；和/或

所述铝液仓的顶壁上设有上冷媒夹套（212）；和/或

所述电热丝、铝液仓、雾化喷嘴和氮气喷管为钨合金材料；所述加热罩、绝缘盖座为陶瓷材料。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：

所述上保温绝缘外层和下保温绝缘外层为一体成型；所述发热体内层和耐热内层为粉体连接；和/或

所述上、下保温绝缘外层为保温棉材质；所述隔热中层和隔热板为石墨硬毡材质；所述发热填充体为石墨材质；所述发热体内层、耐热内层为钨合金材料；和/或

所述喷雾单元通过托架（102）固定于外壳内上部；所述反应单元通过底托座（103）架设于外壳底部；所述托架和底托座为陶瓷材质；和/或

所述出料管、连接法兰为钨合金材料；螺旋喷嘴为陶瓷材料。

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