碳热还原法制备α-Al₂O₃晶须的方法

专利名称：碳热还原法制备α-Al₂O₃晶须的方法
技术领域：
本发明涉及碳热还原法制备α -Al2O3晶须技术，属材料制备技术领域。
背景技术：
α -Al2O3晶须具有高比强度、高比模量和高温抗氧化等优越的综合性能，是高性能 复合材料尤其是高温结构陶瓷材料很有希望和潜力的补强剂之一.随着高温应用陶瓷基 和金属基晶须复合材料研究的迅速发展，人们对高温抗氧化高强晶须的需求日趋迫切，对 α -Al2O3晶须合成工艺的探讨也成为国内外相关领域中的一个热点.α -Al2O3晶须合成目前主要有以下几种方法(1)金属铝与湿氢气流化学反应，晶 须的生长温度为1350°C，但由于成核粒子的聚集，易产生晶须径向不稳定生长或多晶堆聚 生长；⑵熔铸_原位反应法，晶须的生长温度为900°C ； (3)以α -Al2O3超细粉和纳米级 α -Al2O3粉末为原料，引入适量的NaO和MgO，在1500°C下热处理原位生长出β -Al2O3晶须； ⑷采用A1203、AlN和N2为原料，运用化学气相沉积法在1500°C制备α -Al2O3晶须。传统 制备方法存在对原料要求高、制备成本高以及晶须直径不均勻等不足。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种碳热还原法制备α -Al2O3晶须 的方法，利用本发明方法制得的α -Al2O3晶须，其直径分布相差较小，大的5 μ m，小的2 μ m, 晶须的长度为100 μ m 00 μ m,长径比大约为20 100，以满足高温抗氧化高强晶须的需要。本发明的技术方案是，将任意含量二氧化硅和三氧化二铝的物料与碳质还原剂进 行预处理，然后通过碳热还原、冷却歧化反应、铝热还原等工序即可达到本发明的目的。本发明方法的特征是，制备工序如下A、预处理将任意含量二氧化硅和三氧化二铝的物料与碳质还原剂各自磨成50 80目以下的细粉，按物料与碳质还原剂的质量比=12 0.5 20的配比进行配料，混合均 勻，压块，并置于加热炉内的坩埚中；B、碳热还原将炉内温度控制在1200 2000°C，在坩埚中发生如下反应C+Si02 = SiO 个 +CO 个2C+A1203 = Al2O 个 +2C0 个生成SiO气体和Al2O气体，反应时间为5 75分钟；C、冷却歧化反应工序B生成的SiO气体和Al2O气体在坩埚里上升的过程中，随着 温度降低到700°C 1000°C之间，发生歧化反应2Si0 = Si+Si023A120 = 4A1+A1203生成α -Al2O3晶核和金属铝、金属硅和二氧化硅；D、铝热还原将加热炉的温度降低到500°C 700°C，工序C所生成的金属铝和二氧化硅发生铝热还原反应Al+Si02 = Si+Al203生成Al2O3,最后在所生成的α -Al2O3晶核上结晶为α -Al2O3晶须。上面所说的含二氧化硅和三氧化二铝的物料为火力发电厂粉煤灰，铝土矿或赤泥 中的一种，所说的碳质还原剂为木炭、石油焦或煤中的一种。与有现技术相比，本发明有如下优点和积极效果。1、工艺简单以碳热还原为核心技术的本发明可以设计成如图1所示的工艺流程 就可以制备α-Al2O3晶须了。2、经济效益高本工艺使用的原料火力发电厂生物质燃烧灰、发电厂粉煤灰和二氧 化硅矿价格低廉，且解决了环保问题。碳质还原剂价格便宜，容易获得，并且工艺流程简单， 省去了大量的工艺步骤，能源的消耗大大降低，从而可以大大地提高经济效益。


图1为本发明工艺流程示意图。
具体实施例方式下面用实施例对本发明作进一步说明。实施例1使用某火力发电厂粉煤灰(含二氧化硅为50wt%、三氧化二铝为23wt% )为原 料，木炭为还原剂，各自磨成50目的细粉，以12 1.5的质量比进行配料，混合均勻，压块， 加热控制炉内温度为2000°C，反应5分钟，得到SiO气体和Al2O气体，此气体在坩埚内上 升，并得到冷凝，当温度降到1000°C时，生成为硅、二氧化硅、铝和α-Al2O3晶核，当温度降 到700°C时，所生成的铝和二氧化硅发生铝热还原生成α-Al2O3晶须。所得到α-Al2O3晶 须直径分布相差较小，为3 μ m,晶须的长度大为180 μ m,长径比大约为60。实施例2使用铝土矿(含二氧化硅为21wt%、三氧化二铝为52wt% )为原料，石油焦为还 原剂，各自磨成60目的细粉，以12 0.5的质量比进行配料，混合均勻，压块，加热控制炉 内温度为1200°C，反应7分钟，得到SiO气体和Al2O气体，此气体在坩埚内上升，并得到冷 凝，当温度降到700°C时，生成为硅、二氧化硅、铝和三氧化二铝，当温度降到500°C时，所生 成的铝和二氧化硅发生铝热还原生成α-Al2O3晶须。所得到α-Al2O3晶须直径分布相差较 小，为4 μ m，晶须的长度为190 μ m,长径比为48。实施例3使用赤泥(含二氧化硅为18wt%、三氧化二铝为6. 3wt% )为原料，煤为还原剂， 各自磨成80目的细粉，以12 20的质量比进行配料，混合均勻，压块，加热控制炉内温度 为1700°C，反应6分钟，得到SiO气体和Al2O气体，此气体在坩埚内上升，并得到冷凝，当温 度降到750°C时，生成为硅、二氧化硅、铝和三氧化二铝，当温度降到600°C时，所生成的铝 和二氧化硅发生铝热还原生成α-Al2O3晶须。所得到α-Al2O3晶须直径分布相差较小，为 2. 5 μ m，晶须的长度为170 μ m，长径比为68。
权利要求
一种碳热还原法制备α Al2O3晶须的方法，其特征是制备工序如下A、预处理将任意含量二氧化硅和三氧化二铝的物料与碳质还原剂各自磨成50～80目以下的细粉，按物料与碳质还原剂的质量比＝12∶0.5～20的配比进行配料，混合均匀，压块，并置于加热炉内的坩埚中；B、碳热还原将炉内温度控制在1200～2000℃，在坩埚中发生如下反应C+SiO2＝SiO↑+CO↑2C+Al2O3＝Al2O↑+2CO↑生成SiO气体和Al2O气体，反应时间为5～75分钟；C、冷却歧化反应工序B生成的SiO气体和Al2O气体在坩埚里上升的过程中，随着温度降低到700℃～1000℃之间，发生歧化反应2SiO＝Si+SiO23Al2O＝4Al+Al2O3生成α Al2O3晶核和金属铝、金属硅和二氧化硅；D、铝热还原将加热炉的温度降低到500℃～700℃，工序C所生成的金属铝和二氧化硅发生铝热还原反应Al+SiO2＝Si+Al2O3生成Al2O3，最后在所生成的α Al2O3晶核上结晶为α Al2O3晶须。
2.根据权利要求1的方法，其特征是，所说的含二氧化硅和三氧化二铝的物料为火力 发电厂粉煤灰，铝土矿或赤泥中的一种，所说的碳质还原剂为木炭、石油焦或煤中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种碳热还原制备金属硅和α-Al2O3晶须方法，采用含二氧化硅和三氧化二铝的物料(如粉煤灰、铝土矿和赤泥)为原料，碳为还原剂。在高温炉内控制温度1200℃～2000℃进行还原，后在500℃～1000℃进行冷凝，获得单质硅和α-Al2O3晶须。将硅分离后获得的α-Al2O3晶须直径均匀，为2μm～5μm，晶须长度100μm～200μm，长径比为20～100，且工艺流程短、成本低、得率高。本发明方法制备的α-Al3O3晶须具有高比强度、高比模量和高温抗氧化等优越的综合性能，主要用于高性能复合材料，尤其是高温结构陶瓷材料。
文档编号C30B29/20GK101974782SQ20101055030
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者伍继君, 余文轴, 刘大春, 刘永成, 周阳, 姚耀春, 徐宝强, 戴永年, 曲涛, 杨斌, 秦博, 谢克强, 马文会, 魏奎先 申请人:昆明理工大学