CN1369434A - 一种高烧结活性氧化铝粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备高烧结活性氧化铝粉体的方法。其特征在于以含铝无机盐为主要原料,碳酸氢铵为沉淀剂,生成NH₄Al(OH)₂CO₃,更确切地说,铝无机盐为硝酸铝、氯化铝、和硫酸铝铵中一种,含铝的无机盐浓度为0.1－1M,碳酸氢铵浓度为1－4M,反应温度为5－50℃,沉淀陈化时间2－24小时,沉淀物经去离子水洗涤至无机盐杂质含量控制在10ppm,然而50－150℃烘干,最后在1100－1200℃煅烧,使之转变为α－Al₂O₃,晶粒尺寸小于400nm的亚微米及纳米级氧化铝粉体。该方法制取的氧化铝粉体具有硬团聚少和烧结活性高的特点,非常适合于高档氧化铝陶瓷材料的制备。

Description

一种高烧结活性氧化铝粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备高烧结活性氧化铝粉体的方法，属精细化工领域。

背景技术

氧化铝陶瓷具有硬度大、耐磨性和机械强度高，电阻率高以及化学稳定性好的特点，作为集成电路基板、火花塞、摩擦片和刀具材料等被广泛应用于化工、电子、纺织、机械和汽车等行业，是一种应用领域最为广泛的陶瓷材料。在理想情况下单相氧化铝陶瓷强度高达700MPa左右，当氧化铝与氧化锆以及炭化硅纳米颗粒(或晶须)复合后可使材料力学性能进一步提高到1-1.5GPa以上。

目前在工业上主要通过拜耳法、化学沉淀法和铝盐热分解法大批量生产氧化铝粉体。在拜耳法和化学沉淀法中由于生成的中间产物通常为呈胶态的氢氧化铝沉淀，内含大量水分和羟基，在后续干燥和煅烧过程中受颗粒间毛细管力和羟基缩合的作用很容易导致所得氧化铝粉体产生硬团聚，降低粉体烧结性，并严重影响烧结瓷体的显微结构和力学性能。另外，硫酸铝氨热分解虽然有可能得到硬团聚少烧结活性较高的氧化铝粉体，但由于该方法通常释放出大量SO₂有害气体，不利于环保。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高烧结活性且环保的氧化铝粉体的制备方法。由该法制备的氧化铝粉体不仅粒度分布均匀硬团聚少可以在较低的温度下烧结，而且对环境的污染小，实用于工业化生产。

本发明的目的是这样实施的：首先以铝无机盐为主要原料，以碳酸氢铵为沉淀剂分别配制成一定浓度的水溶液，通过控制二种溶液的用量比例、反应温度和陈化时间制备NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀，然后经干燥、高温煅烧后得到氧化铝粉体。

本发明具体可分为四大步骤：

第一步NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀的制备；第二步沉淀的洗涤；第三步沉淀的干燥；第四步高温煅烧沉淀得到氧化铝粉体。

一、NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀的制备

通过控制铝无机盐和碳酸氢铵水溶液的浓度、用量比例、反应温度和沉淀陈化时间，得到NH₄Al(OH)₂CO₃白色沉淀。本发明所提及的铝无机盐包括氯化铝、硝酸铝和硫酸铝铵中一种，其水溶液浓度为0.1-1M，碳酸氢铵溶液浓度为1-4M。整个反应过程中铝无机盐与碳酸氢铵用量(摩尔)比控制在5-20之间，反应温度控制在5-50℃，陈化时间为2-24小时。整个反应方程通式可表示为：

在上述反应中适当提高反应温度、碳酸氢铵与铝无机盐的用量比例或延长陈化时间有利于NH₄Al(OH)₂CO₃的生成。但为了得到高烧结活性的氧化铝粉体，碳酸氢铵与铝无机盐最佳用量(摩尔)比例应控制在9-12之间，最佳反应温度和陈化时间应控制在15-30℃和10-15小时之间。

二、沉淀的洗涤

无机离子的存在极易导致沉淀在干燥过程中发生团聚，为了消除这种不利影响，必须用去离子水反复洗涤NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀，以彻底去除其中所含无机盐杂质，使无机盐杂质总含量最好控制在10ppm以下。

三、沉淀的干燥

因NH₄Al(OH)₂CO₃分解温度在200℃附近，为了确保NH4Al(OH)2CO3沉淀物在干燥过程中不分解，干燥温度应控制在50-150℃之间。在干燥之前，应先将洗涤后的沉淀物长时间抽滤脱水，呈半干状态。

四、高温煅烧

煅烧温度的高低对所得氧化铝粉体的晶型和烧结性存在极大的影响，通常煅烧温度选择在1100-1200℃之间，时间为0.5-1.5小时，温度高保温时间短，反之亦然。此时得到的氧化铝粉体大部分或全部已转化为α相且一次晶粒尺寸在400nm以下具有较高的烧结性。

本发明相对于通常氧化铝制粉方法的突出特点在于：

1.所得NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀为非胶态其中所含水分少，在干燥过程中毛细管力作用小，易于得到团聚少疏松的NH₄Al(OH)₂CO₃前驱体粉体。

2.在热解过程中NH₄Al(OH)₂CO₃分解并释放大量气体，在客观上对所得氧化铝粉体起到膨化作用有利于防止氧化铝粉体中硬团聚的发生。

3.由本发明制备的氧化铝粉体相对于通常工业氧化铝其烧结性得到了明显的改善。

4.本发明中所用的原料均为工业原料，原料成本低，工艺简单，所得氧化铝粉体质量高，实用于高档氧化铝陶瓷制品的制备，因而具有良好的市场前景。

附图说明

图1中(A)为以0.4M的硝酸铝和4M的碳酸氢铵为原料，室温下制备的NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀经12小时陈化后的XRD图谱；图1中(B)为以0.2M的硝酸铝和2M的碳酸氢铵为原料，室温下制备的NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀经24小时陈化后的XRD图谱。

图2中(A)和(B)分别为图1中(A)和(B)所指NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀经1200℃ 1小时煅烧后所得Al₂O₃粉体的XRD图谱，可见两种粉体均已晶化为α-Al₂O₃。

图3中(A)和(B)分别为图2中(A)和(B)所指α-Al₂O₃粉体的SEM照片。

图4中曲线A，B分别为图2中(A)和(B)所指α-Al₂O₃粉体的烧结曲线。横座标为烧结温度(℃)，纵座标为相对密度(％)。

具体实施方式

实施例1

在室温下边搅拌边往4M的碳酸氢铵溶液(1500ml)中滴加0.4M的硝酸铝溶液(1000ml)，得到的白色沉淀经12小时陈化后用去离子水洗涤5次以去除游离的无机离子。所得沉淀经长时间抽滤脱水后呈半干状态，然后转移到烘箱中50℃干燥。对所得干燥粉体在1200℃ 1小时煅烧前后分别进行XRD表征发现未经煅烧的粉体已完全生成NH₄Al(OH)₂CO₃(图1A)，经高温煅烧后NH₄Al(OH)₂CO₃分解生成α-Al₂O₃(图2A)。生成的α-Al₂O₃粒径在300nm左右(图3A)，具有良好的烧结性。在1500℃ 2小时无压烧结即可达到理论密度的96％，在1525℃ 2小时烧结即可完全致密化(图4曲线A)。

实施例2

以2M的碳酸氢铵和0.2M的硝酸铝为原料，经24小时陈化和1200℃ 1小时煅烧制备氧化铝粉体，其他同实施例1。图1B和图2B分别为所得NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀和α-Al₂O₃粉体的XRD图谱。图3B为所得α-Al₂O₃粉体的SEM照片。该粉体表现出良好的烧结性，在1500℃ 1小时无压烧结即可达到理论密度的98％，在1525℃ 1小时烧结即可实现完全致密化(图4曲线B)。

Claims (7)

1、一种高烧结活性的氧化铝粉体的制备方法，其特征在于：

(1)以含铝的无机盐为起始原料，以碳酸氢铵为沉淀剂，经沉淀反应，得到NH₄Al(OH)₂CO₃沉淀物；其中含铝的无机盐的浓度为0.1-1M，碳酸氢铵浓度在1-4M；反应温度为5-50℃；沉淀陈化时间为2-24小时；

(2)沉淀物经去离子水洗涤和长时间抽滤脱水后呈半干状态，干燥温度50-150℃，然后经1100-1200℃，0.5-1.5小时煅烧而制备出α-Al₂O₃。

2、按权利要求1所述的高烧结活性的氧化铝粉体的制备方法，其特征在于所述的含铝无机盐的硝酸铝、氯化铝、和硫酸铝铵中一种。

3、按权利要求1所述的高烧结活性的氧化铝粉体的制备方法，其特征在于沉淀过程所用的含铝无机盐和碳酸氢铵的摩尔比为5-20。

4、按权利要求1所述的高烧结活性的氧化铝粉体的制备方法，其特征在于去离水洗涤沉淀物使无机盐杂量含量控制在10ppm以下。

5、按权利要求1所述的高烧结活性的氧化铝粉体的制备方法，其特征在于反应温度为15-30℃，陈化时间为10-15小时。

6、按权利要求3所述的高烧结活性的氧化铝粉体的制备方法，其特征在于所用的含铝无机盐和碳酸氢铵的摩尔比为9-12。

7、按权利要求1所述的高烧结活性的氧化铝粉体的制备方法，其特征在于含铝的无机盐和碳酸氢铵沉淀剂为工业原料。

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