一种氧化铝/铝复合微细粉体的制备方法与流程

本发明涉及一种氧化铝/铝复合微细粉体的制备方法，属于复合材料领域。

背景技术：

氧化铝/铝复合材料具有高的比强度、高的比刚度、高的耐磨性和低的热膨胀系数等一系列优良的性能，广泛应用于生产、生活的各个方面，而氧化铝的形态、粒径和分布对于复合材料的性能具有重要的影响。

采用细颗粒或超细颗粒氧化铝增强体，可显著改善复合材料的综合性能，超细氧化铝粉体的制备方法有很多，如碳酸铝铵分解法、硫酸铝铵分解法、氯化汞活化水解法、有机铝水解法、活性铝粉水解法、等离子体法、电化学法等，普遍具有原料贵、工艺流程复杂的特点，而且生产过程往往伴随着大量废气、废液的产生，因此采用现有技术生产的超细氧化铝粉体作为复合材料的增强体需要较高的成本。

技术实现要素：

本发明制备出一种粉体，以该粉体代替氧化铝粉体作为铝的增强体，制备氧化铝/铝复合材料，能够降低成本。

本发明提供一种氧化铝/铝复合微细粉体的制备方法，具体步骤如下：

（1）将氧化铝原料和铝原料以任意比例混合得到混合原料；

（2）将步骤（1）的混合原料置于真空炉的反应容器中，反应容器上连接冷凝装置，将真空炉抽真空至低于5Pa，反应容器升温至1200℃-1600℃，保温30-60分钟，保温过程中持续抽真空，反应容器中的氧化铝与铝反应生成氧化亚铝气体，铝蒸发形成铝气体，氧化亚铝与铝气体在持续抽真空的作用下，上升到冷凝装置，当冷凝装置的温度为660℃-1100℃时，氧化亚铝气体发生歧化反应，生成的氧化铝为固体粉末，生成的铝和铝蒸气冷凝为液态铝珠；当冷凝装置的温度低于660℃时，氧化亚铝气体发生分解反应，生成的氧化铝和铝为固体粉末，铝蒸气冷凝为固体铝粉；

（3）保温完成后真空炉开始降温，温度降至室温后，停止抽真空，打开真空炉，冷凝装置上得到氧化铝/铝复合微细粉体。

步骤（1）氧化铝原料中的氧化铝含量高于80%，所述铝原料中的铝含量高于95%。

所述反应容器内的残渣及反应容器壁上的冷凝物可以作为原料被再次利用。

本发明的制备原理如下：

真空条件下，氧化铝和铝原料在高温下发生反应（1）生成气态氧化亚铝Al₂O，同时铝蒸发为铝蒸气，氧化亚铝和铝气体进入到低温冷凝区，氧化亚铝发生歧化反应（2）形成氧化铝和铝，与铝蒸气同时冷凝下来，形成了氧化铝/铝复合粉体，并可以通过控制冷凝温度来控制氧化铝/铝复合粉体的粒径。

本发明的有益效果：

（1）氧化铝原料和铝原料中常见的杂质元素几乎不会随Al₂O和Al气体进入到冷凝区，所以可以用不纯的氧化铝和铝作为原料，原材料廉价，还可以回收利用废弃物。

（2）本发明复合微细粉体的粒度可控，通过控制氧化亚铝的冷凝歧化温度可以得到微米、亚微米级的复合粉体。

（3）该复合微细粉体可代替氧化铝粉添加到铝基体中制备氧化铝/铝复合材料，理论上能改善氧化铝的分散性。

（4）本发明工艺简单、环保，无废气、废液产生。

附图说明

图1是本发明实施例所采用的真空炉的结构示意图；

图2是本发明实施例1制得的氧化铝/铝复合微细粉体的XRD衍射图；

图3是本发明实施例1制得的氧化铝/铝复合微细粉体的SEM图像；

图4是本发明实施例2制得的氧化铝/铝复合微细粉体的XRD衍射图；

图5是本发明实施例2制得的氧化铝/铝复合微细粉体的SEM图像；

图6是本发明实施例3制得的氧化铝/铝复合微细粉体的XRD衍射图；

图7是本发明实施例3制得的氧化铝/铝复合微细粉体的SEM图像；

图8是本发明实施例4制得的氧化铝/铝复合微细粉体的XRD衍射图；

图9是本发明实施例4制得的氧化铝/铝复合微细粉体的SEM图像；

图1中，1-水冷电极，2-石墨电极底座，3-石墨电极发热体，4-隔热层，5.-高纯氧化铝坩埚，6-高纯氧化铝冷凝盘，7-真空抽气口。

具体实施方式

图1为本发明实施例所使用的真空炉的结构示意图，结合真空炉通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

实施例1

本实施例所述氧化铝/铝复合微细粉体的制备方法，具体步骤如下：

（1）将工业级氧化铝粉和工业级铝粉按照质量比为1∶1进行混合，得到氧化铝粉和铝粉混合物；

（2）将步骤（1）的混合物置于真空炉的反应容器-高纯氧化铝坩埚5中，高纯氧化铝坩埚5连接冷凝装置-高纯氧化铝冷凝盘6，从真空抽气口7将真空炉抽真空到压力为1Pa，通过水冷电极1通电流到石墨电极底座2，使连接在石墨电极底座2上的石墨电极发热体3发热，加热工作区中的高纯氧化铝坩埚5升温至1200℃，隔热层4减少热量的散失，保温60分钟，保温过程中持续抽真空，通过调整高纯氧化铝冷凝盘6与高纯氧化铝坩埚5之间的距离控制高纯氧化铝冷凝盘6的温度为650℃；

高纯氧化铝坩埚5中氧化铝与铝反应形成氧化亚铝气体，铝蒸发形成的铝气体，氧化亚铝和铝气体上升到高纯氧化铝冷凝盘6，氧化亚铝气体发生歧化反应，生成固态氧化铝粉末和固态铝粉末，铝蒸气也冷凝为固态铝粉末；

（3）保温完成后真空炉开始降温，温度降至室温后，停止抽真空，打开真空炉，高纯氧化铝冷凝盘6中得到氧化铝/铝复合微细粉体，高纯氧化铝坩埚5中有反应残渣，高纯氧化铝坩埚5壁上也有少量由氧化铝和铝组成的冷凝物。

图2为本实施例制备得到的氧化铝/铝复合微细粉体的XRD衍射谱，从图2可见，复合粉体由铝、过渡态氧化铝和α-氧化铝组成；图3为本实施例氧化铝/铝复合微细粉体的SEM像，从图3可见，粉体由均匀的近似球形的微粒组成，平均粒径小于0.5μm。

实施例2

本实施例所述氧化铝/铝复合微细粉体的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照质量比为1∶2取工业级氧化铝粉和铝含量为98%的废弃物，含铝废弃物进行破碎、研磨处理后与工业级氧化铝粉混合，得到混合物；

（2）将步骤（1）的混合物置于真空炉的反应容器-高纯氧化铝坩埚5中，高纯氧化铝坩埚5连接冷凝装置-高纯氧化铝冷凝盘6，从真空抽气口7将真空炉抽真空到压力为2Pa，通过水冷电极1通电流到石墨电极底座2，使连接在石墨电极底座2上的石墨电极发热体3发热，加热工作区中的高纯氧化铝坩埚5升温至1400℃，隔热层4减少热量的散失，保温40分钟，保温过程中持续抽真空，通过调整高纯氧化铝冷凝盘6与高纯氧化铝坩埚5之间的距离控制高纯氧化铝冷凝盘6的温度为950℃；

高纯氧化铝坩埚5中氧化铝与铝反应形成氧化亚铝气体，铝蒸发形成铝气体，氧化亚铝和铝气体上升到高纯氧化铝冷凝盘6，氧化亚铝气体发生歧化反应，歧化生成的氧化铝为固体粉末，歧化生成的铝和铝蒸气冷凝为液态铝珠；

（3）保温完成后真空炉开始降温，温度降至室温后，停止抽真空，打开真空炉，高纯氧化铝冷凝盘6中得到氧化铝/铝复合微细粉体，高纯氧化铝坩埚5中有反应残渣，高纯氧化铝坩埚5壁上也有少量由氧化铝和铝组成的冷凝物。

图4为本实施例制备得到的氧化铝/铝复合微细粉体的XRD衍射谱，从图4可见，复合粉体由铝和α-氧化铝组成；图5为本实施例氧化铝/铝复合微细粉体的SEM像，从图5可见，铝的形态为大小不一的铝珠，铝珠的最大直径约为20μm，氧化铝形状不规则，多为片状、块状，平均粒径小于5μm，部分氧化铝粉包裹在铝珠外面。

以本实施例2制得的复合粉体为添加剂，制备氧化铝增强铝基复合材料，按照最终产品中氧化铝质量比为10%，与分析纯铝粉配比，球磨机球磨2小时，10MPa冷压成型，690℃下真空烧结1小时，85MPa、550℃下热压20分钟，得到的复合材料拉伸强度为116MPa，延伸率为10.6%。

实施例3

本实施例所述氧化铝/铝复合微细粉体的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照氧化铝含量为90%的废弃物和工业级氧化铝粉的总质量与工业级铝粉的质量的比例为3：2，含氧化铝废弃物进行破碎、研磨处理后与工业级铝粉、工业级氧化铝粉一起混合，得到混合物；

（2）将步骤（1）的混合物置于真空炉的反应容器-高纯氧化铝坩埚5中，高纯氧化铝坩埚5连接冷凝装置-高纯氧化铝冷凝盘6，从真空抽气口7将真空炉抽真空到压力为3Pa，通过水冷电极1通电流到石墨电极底座2，使连接在发热体底座2上的石墨电极发热体3发热，加热工作区中的高纯氧化铝坩埚5升温至1600℃，隔热层4减少热量的散失，保温30分钟，保温过程中持续抽真空，通过调整高纯氧化铝冷凝盘6与高纯氧化铝坩埚5之间的距离控制高纯氧化铝冷凝盘6的温度为1100℃；

高纯氧化铝坩埚5中氧化铝与铝反应形成氧化亚铝气体，铝蒸发形成铝气体，氧化亚铝和铝气体上升到高纯氧化铝冷凝盘6，氧化亚铝气体发生歧化反应，歧化生成的氧化铝为固体粉末，歧化生成的铝和铝蒸气冷凝为液态铝珠；

（3）保温完成后真空炉开始降温，温度降至室温后，停止抽真空，打开真空炉，高纯氧化铝冷凝盘6中得到氧化铝/铝复合微细粉体，高纯氧化铝坩埚5中有反应残渣，高纯氧化铝坩埚5壁上也有少量由氧化铝和铝组成的冷凝物。

图6为本实施例制备得到的氧化铝/铝复合微细粉体的XRD衍射谱，从图6可见，复合粉体由铝和α-氧化铝组成；图7为本实施例氧化铝/铝复合微细粉体的SEM像，从图7可见，铝的形态为大小不一的铝珠，铝珠的最大直径约为25μm，氧化铝形状不规则，多为片状、块状，平均粒径小于5μm，部分氧化铝粉包裹在铝珠外面。

实施例4

本实施例所述氧化铝/铝复合微细粉体的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照质量比为2∶5取氧化铝含量为85%的废弃物和铝含量为96%的废弃物，含氧化铝废弃物和含铝废弃物进行破碎、研磨处理后混合，得到混合物；

（2）将步骤（1）的混合物置于真空炉的反应容器-高纯氧化铝坩埚5中，高纯氧化铝坩埚5连接冷凝装置-高纯氧化铝冷凝盘6，从真空抽气口将真空炉抽真空到压力为4Pa，通过水冷电极1通电流到石墨电极底座2，使连接在石墨电极底座2上的石墨电极发热体3发热，加热工作区中的高纯氧化铝坩埚5升温至1300℃，隔热层4减少热量的散失，保温50分钟，保温过程中持续抽真空，通过调整高纯氧化铝冷凝盘6与高纯氧化铝坩埚5之间的距离控制高纯氧化铝冷凝盘6的温度为800℃；

高纯氧化铝坩埚5中氧化铝与铝反应形成氧化亚铝气体，铝蒸发形成铝气体，氧化亚铝和铝气体上升到高纯氧化铝冷凝盘6，氧化亚铝气体发生歧化反应，歧化生成的氧化铝为固体粉末，歧化生成的铝和铝蒸气冷凝为液态铝珠；

（3）保温完成后真空炉开始降温，温度降至室温后，停止抽真空，打开真空炉，高纯氧化铝冷凝盘6中得到氧化铝/铝复合微细粉体，高纯氧化铝坩埚5中有反应残渣，高纯氧化铝坩埚5壁上也有少量由氧化铝和铝组成的冷凝物。

图8为本实施例制备得到的氧化铝/铝复合微细粉体的XRD衍射谱，如图8所示，复合粉体由铝、α-氧化铝和过渡态氧化铝组成；图9为本实施例氧化铝/铝复合微细粉体的SEM像，从图9可见，铝的形态为大小不一的铝珠，铝珠的最大直径约为10μm，氧化铝形状不规则，平均粒径小于0.1μm，部分氧化铝粉与铝粉团聚在一起。