专利名称：一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法
技术领域：
本发明属于无机非金属材料制备领域，尤其是涉及一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法。
背景技术：
尖晶石既是续招尖晶石(MgAl2O4)矿物的名称,又是有相同结晶结构矿物的总称，其在自然界中广泛存在。镁铝尖晶石结构属于立方晶系，面心立方点阵，Fd3m空间群。镁铝尖晶石的饱和结构决定其具有优异的性能，如熔点高(2135°C )，耐蚀、耐磨性好，化学稳定性高,而且其绝缘性好,热膨胀系数小,硬度高。它的物理性质介于Al2O3和MgO晶体的物
理性质之间。由于独特的结构和优良的性能，镁铝尖晶石单晶在微波段用作声波器件的传声介质材料。用它制作的微波延迟线的插入损耗要比用蓝宝石或石英介质制作的低，因为在微波段(IOGHz以上的频段)MgAl2O4单晶的声衰减比蓝宝石或石英低得多。用MgAl2O4单晶为介质制作的微波声体波器件适用于微波雷达、脉冲雷达、目标显示系统、稳频系统和电子对抗系统等。镁铝尖晶石透明多晶陶瓷。镁铝尖晶石具有优良的电绝缘性，并且与Si的匹配性能好，其线膨胀系数与Si相近，因而外延形成Si膜的形变小，是一种重要的集成电路衬底材料。以其作为衬底的集成电路具有开关速度快、频率高、漏电小、易于制作场效应管和制作高速低功耗的互补电路、抗辐照能力强等优点。透明尖晶石多晶陶瓷具有立方结构，制备这种多晶材料没有像非立方结构材料所固有的严重散射问题，在微波范围内，尖晶石的各向同性可以避免局部吸收在非立方结构材料中因不同晶界取向以及各向异性的介电系数所产生的热量而引起的相变问题；其次，由于镁铝尖晶石透明陶瓷是陶瓷，其形状大小都具有可塑性。由此可见镁铝尖晶石多晶陶瓷有良好的光学透过率，并且耐磨损，耐腐蚀，耐高温，抗冲击，有较高的硬度和抗弯强度，同时还具有十分优良的电绝缘性能和化学稳定性，因此它在红外激光窗口、高温窗口以及在高温或强辐照下工作的照相镜头、核反应堆窗口、光电子等领域有广阔的应用前景。尖晶石陶瓷还可用作远红外波段窗口材料，以适应导弹制导系统多种制导方式的要求。要制备上述高性能的镁铝尖晶石单晶或透明多晶陶瓷材料，没有性能优良的镁铝尖晶石粉体是不可能的。能够达此目的的粉体原料的基本条件是化学纯度高、相纯度高、颗粒均匀而细微。制造镁铝尖晶石粉体的方法主要有两类一是传统的高温固相反应法，二是液相法，各有利弊。前者工艺简单，温度高(一般要高于1400 1600°C)能耗高，产量大，颗粒粗大不均匀(一般在数十微米以上);后者工艺精细、技术繁琐，生产周期长，成本高。固相反应法的简单易行是其它方法无法比拟的，如果能够克服焙烧温度过高、产物颗粒粗大不均勻之弊端，仍不失为最有实际意义的制造技术
发明内容
本发明的目的在于改进已有技术的不足而提供一种使用含氟化合物作为矿化剂、对氧化铝(或氢氧化铝)与氧化镁(或氢氧化镁)粉体高温下进行固相反应时有效控制、反应温度低、能够制得纯相或几乎纯相的镁铝尖晶石粉体、且粉体的化学纯度能够保持与固相反应前相同的水平、粉体粒度在微米级或亚微米级、粉体的原级颗粒形貌有时呈现规则的正八面体形状的低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法。本发明的目的是这样实现的，一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特点是该方法包括以下步骤
(1)按镁铝尖晶石化学计量比称取含铝、镁原料；
(2)将称取的原料采用干法预处理、湿法预处理、盐类水解法预处理或者盐类沉淀法预处理中的一种，进行原料预处理，其中
所述的干法预处理是加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物到称取的原料中，充分混合、搅拌、研磨或机械力化学处理，得到的混合物粉状物称为前驱体；
所述的湿法预处理是加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物到称取的原料中，充分混合、搅拌、研磨或机械力化学处理，得到的混合物粉状物，向混合物粉状物中加入59^10%液体分散介质、在含氟化合物作用下进行搅拌、分散、混合得到的产物，在低于60 V的条件下干燥，得到粉状物称为前驱体；
所述的盐类水解法预处理是称取原料为水溶性或醇溶性含镁铝化合物，将原料放入容器中，加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物，加入水和调节体系pH值用的试剂调节体系PH值处于扩14之间，并不断搅拌使其转变为Mg(OH)2与Al (OH)3的湿混合物，将其在低于60°C的条件下干燥处理，得到粉状物称为前驱体；
所述的盐类沉淀法预处理是称取原料为水溶性或醇溶性含镁铝化合物，将原料放入容器中，加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物，加入水和沉淀剂使铝离子、镁离子生成沉淀或胶体颗粒，并不断搅拌使其充分反应，从而转变为氢氧化物、不溶性盐类或它们的混合物的湿物料，然后将湿物料在低于60°C的条件下干燥处理，得到粉状物称为前驱体；
(3)将前驱体在900°C 1200°C的条件下进行热处理或者焙烧，得到分散性较好、纯相镁铝尖晶石粉体，部分颗粒呈现正八面体形状。为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的含氟化合物是指对形成纯相尖晶石粉体起决定或促进作用的含氟化合物，包括氟化铝(AlF3)、氟化铵(NH4F)、氟化氢(HF)以及它们的水合物、水溶液和醇溶液。为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的液体分散介质是指各种水或者无毒、无污染、含碳原子(C)数目为2 4的脂肪醇或低碳醇，以及两者的混合物。为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的沉淀剂是能与铝离子(Al3+)、镁离子(Mg2+)形成沉淀、不含各种金属元素或通过水洗方式能够除去的、通过高温焙烧可以分解成气体而释放出去的各种试剂。为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的调节体系pH值用的试剂包括氨水、尿素、有机胺，上述试剂可以单独使用，也可以混合使用。为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的沉淀剂包括氨水、尿素、碳酸、二氧化碳、草酸，上述试剂可以单独使用，也可以混合使用。为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的低于60°C的条件下干燥处理是指在60°C以下温度下，对流、辐射和热传导三种热能传递方式设计的干燥过程。为了进一步实现本发明的目的，可以是所述的热处理是指能够发生固相化学反应生成尖晶石相的温度、保温时间和过程，温度范围为900°C 1200°C，保温时间为0. 5 24小时。为了进一步实现本发明的目的，可以是所涉及的原料和产物的质量百分比纯度不低于95%。本发明含镁铝化合物原料量是根据容器的容积选取的，一般来说物料体积占容器容积的三分之一 三分之二。本发明采用的含铝原料为含铝元素的任何原料，含镁原料为含镁元素的任何原料。本发明生成产物的粒度的大小与合成温度主要由前驱物颗粒大小、预处理工艺过程来决定，同时由热处理或焙烧工艺得以实现，二者缺一不可。本发明与已有技术相比具有以下显著特点和积极效果对无机非金属粉体材料的制备技术，主要追求的有三点一是纯度的控制；二是粒度的控制；三是合成温度的控制；这三点一般情况下是相互关联的，有时又相互制约着，利用固相反应法制备镁铝尖晶石粉体同样面临相同的问题，为保证产物的纯度，就要尽量避免添加控制粒度和降低合成温度的添加剂；而控制粒度、降低焙烧温度最有效的方法又只能靠添加剂，本发明是使用含氟化合物作为矿化剂，向含镁铝原料中、或其盐类水解形成氢氧化物沉淀中、或加入沉淀剂形成不溶物中加入少量的含氟化合物和液体分散介质，也可不使用任何分散介质，经过简单的混合、搅拌、分散、研磨或者溶剂热处理，在90(TC 120(TC左右的温度下，氧化镁(或氢氧化镁)粉体与氧化铝(或氢氧化铝)粉体或者通过简单的水解、共沉淀、热分解反应生成镁铝混合粉体，发生固相化学反应生成纯相或几乎纯相的镁铝尖晶石粉体的制造方法，颗粒尺寸范围为微米级、亚微米级。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。图I为为采用本发明方法制得的纯相镁铝尖晶石粉体的X射线衍射分析图谱。图2为采用本发明方法制得的分散性较好的、纯相镁铝尖晶石粉体的原级颗粒形貌不同放大倍数的SEM图像。
具体实施例方式实施例1，一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，是称取21. 15克一水铝石(A100H)、5克的氧化镁(MgO)JP I克A1F3_3. 5H20于陶瓷质研钵中，研磨得到松散的粉状物，在高温炉中于900°C 1200°C下保温3小时，得到部分原级颗粒为(近)正八面体晶体的纯相镁铝尖晶石粉体，高温固相反应
权利要求
1.一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是该方法包括以下步骤 (1)按镁铝尖晶石化学计量比称取含铝、镁原料； (2)将称取的原料采用干法预处理、湿法预处理、盐类水解法预处理或者盐类沉淀法预处理中的一种，进行原料预处理，其中 所述的干法预处理是加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物到称取的原料中，充分混合、搅拌、研磨或机械力化学处理，得到的混合物粉状物称为前驱体； 所述的湿法预处理是加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物到称取的原料中，充分混合、搅拌、研磨或机械力化学处理，得到的混合物粉状物，向混合物粉状物中加入59^10%液体分散介质、在含氟化合物作用下进行搅拌、分散、混合得到的产物，在低于60°C的条件下干燥，得到粉状物称为前驱体； 所述的盐类水解法预处理是称取原料为水溶性或醇溶性含镁铝化合物，将原料放入容器中，加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物，加入水和调节体系pH值用的试剂调节体系PH值处于扩14之间，并不断搅拌使其转变为Mg(OH)2与Al (OH)3的湿混合物，将其在低于60°C的条件下干燥处理，得到粉状物称为前驱体； 所述的盐类沉淀法预处理是称取原料为水溶性或醇溶性含镁铝化合物，将原料放入容器中，加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物，加入水和沉淀剂使铝离子、镁离子生成沉淀或胶体颗粒，并不断搅拌使其充分反应，从而转变为氢氧化物、不溶性盐类或它们的混合物的湿物料，然后将湿物料在低于60°C的条件下干燥处理，得到粉状物称为前驱体； (3)将前驱体在900°C 1200°C的条件下进行热处理或者焙烧，得到分散性较好、纯相镁铝尖晶石粉体，部分颗粒呈现正八面体形状。
2.根据权利要求I所述的一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是所述的含氟化合物是指对形成纯相尖晶石粉体起决定或促进作用的含氟化合物，包括氟化铝(AlF3)、氟化铵(NH4F)、氟化氢(HF)以及它们的水合物、水溶液和醇溶液。
3.根据权利要求I所述的一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是所述的液体分散介质是指各种水或者无毒、无污染、含碳原子(C)数目为2 4的脂肪醇或低碳醇，以及两者的混合物。
4.根据权利要求I所述的一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是所述的沉淀剂是能与铝离子(Al3+)、镁离子(Mg2+)形成沉淀、不含各种金属元素或通过水洗方式能够除去的、通过高温焙烧可以分解成气体而释放出去的各种试剂。
5.根据权利要求I所述的一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是所述的调节体系PH值用的试剂包括氨水、尿素、有机胺。
6.根据权利要求I或5所述的一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是所述的沉淀剂包括氨水、尿素、碳酸、二氧化碳、草酸。
7.根据权利要求I所述的一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是所述的低于60°C的条件下干燥处理是指在60°C以下温度下，对流、辐射和热传导三种热能传递方式设计的干燥过程。
8.根据权利要求I所述的一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是所述的热处理是指能够发生固相化学反应生成尖晶石相的温度、保温时间和过程，温度范围为900°C~ 1200°C，保温时间为0. 5 24小时。
9.根据权利要求I所述的一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，其特征是所涉及的原料和产物的质量百分比纯度不低于95%。
全文摘要
本发明公开了一种低温固相反应法制备镁铝尖晶石粉体的方法，是按镁铝尖晶石化学计量比称取含铝、镁原料，将称取的原料采用干法预处理、湿法预处理、盐类水解法预处理或者盐类沉淀法预处理中的一种，进行原料预处理，得到的混合物粉状物称为前驱体，将前驱体在900℃～1200℃的条件下进行热处理或者焙烧，得到分散性较好、纯相镁铝尖晶石粉体，部分颗粒呈现正八面体形状，本发明使用含氟化合物作为矿化剂，对氧化铝(或氢氧化铝)与氧化镁(或氢氧化镁)粉体高温下进行固相反应时有效控制，具有反应温度低、能够制得纯相或几乎纯相的镁铝尖晶石粉体、且粉体的化学纯度能够保持与固相反应前相同的水平、粉体粒度在微米级或亚微米级、粉体的原级颗粒形貌有时呈现规则的正八面体形状的特点。
文档编号C04B35/443GK102701724SQ20121018380
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者姜文, 宫瑞楼, 王修慧, 王富刚, 王程民, 王高涛 申请人:大连交通大学, 山东大盛光电科技有限公司