专利名称：一种超细、高纯γ-AlON透明陶瓷粉末的制备方法
技术领域：
本发明属于透明陶瓷粉体制备技术领域，提供了一种Y-A10N透明陶瓷粉末的制 备方法。
背景技术：
氮氧化铝(Y-A10N)透明陶瓷具有良好的物理、机械和化学性质，以及良好的透 光性(在波长0.2i!m 5.0i!m范围内的透过率可达80 %以上)，所以它是高温红外窗口、 防弹装甲材料和双模天线罩的优选材料，具有优良的商业和军事应用价值。而要获得完全 透明的氮氧化铝陶瓷，其粉体合成方法至关重要，其目标是制备出高纯、超细少团聚、高活 性的Y-A10N陶瓷粉末。高温固相反应法和碳热还原氮化法是合成氮氧化铝粉体最常用的合成方法。目 前已有较多相关的合成粉体报道。美国专利US Pat. No. 4，686，070报道了一种碳热还原 氮化两步法合成氮氧化铝粉末的方法。首先将高纯度的Y_A1203氮化以形成A1N，形成 的A1N与高温相转变形成的a -A1203进一步在1550 1850°C间热处理2小时以上得到 陶瓷粉末，但是这样获得的产物一次颗粒团聚严重，需长时间球磨16小时并过筛才能达到
意白勺颗f立度。Zheng Jie ^A (J- Zheng andB. Forslund, Carbothermal Synthesis of Aluminum Oxynitride(A10N)Powder Influence of starting materials and synthesis parameters. J. Eur. Ceram. Soc. 15(1995) 1087-1100.)对碳热还原制备 A10N 粉末的研究显 示，合成纯相的A10N粉末，要避免过度氮化，需要通过两步反应来合成，首先在1600°C下热 处理1 2小时，然后在1800 1850°C下反应1小时。碳热还原氮化法是合成氮氧化铝 粉末最经济的方法。目前报道的两步法合成氮氧化铝粉末，工艺复杂，且在石墨炉环境中易 发生过度氮化现象。固相反应法高温保温时间较长，耗能、耗时且得到的粉末团聚严重。美 国专利US Pat. No. 5，688，730报道了采用A1N、a -A1203和高比表面积Y _A1203 (或这种氧 化物的前躯体)混合物，在1700 1800°C下保温17小时来合成了氮氧化铝的多孔团聚粉 末，经球磨后粉末的粒径小于10 u m。中国发明专利ZL 200710052019.0描述了一种基于固相反应快速合成y_A10N粉 末的方法，其方法是将A1N粉和a _A1203粉按比例混合，装入石墨坩埚中加大电流来快速合 成Y-A10N粉末。中国发明专利ZL 200910046840.0描述了一种基于碳热还原氮化反应快 速合成、-A10N粉末的方法，它以氧化铝和可溶性淀粉为原料，按照一定比例混合后装入 石墨坩埚中，对石墨坩埚加大电流来快速合成Y-A10N粉末。由于设备的限制，这两种快速 合成Y-A10N粉体的方法不利于工程化生产的推广。针对Y-A10N粉末合成中的现有问题，本发明以高活性的Y_A1203粉和碳源(炭 黑，纳米竹碳粉)为原料，采用高能球磨结合高温碳热还原氮化法来制备纯相Y-A10N粉， 并辅以高能球磨来制备超细、高纯的氮氧化铝粉体，所得到的Y-A10N粉体具有单一的相 组成、较细的颗粒尺寸、良好的烧结活性，是制备透明氮氧化铝陶瓷的优选粉体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高能球磨法结合碳热还原氮化法合成 单相氮氧化铝陶瓷粉末的新方法，该方法不仅能够制备出显微结构优良、纯度高、具有高烧 结活性的氮氧化铝透明陶瓷粉末，而且易于控制制备条件、成本低、易工程化推广。本发明所要解决的技术问题通过如下技术方案得以实现一种超细、高纯Y-A10N透明陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)配料将Y-A1203粉与碳源混合配制前驱体粉，其中碳的质量配比范围为 5. 3 6.2%，其余为 y-A1203 粉；2)混料将前驱体粉按质量比1 1 3加入适量无水乙醇，通过湿法研磨使得 前驱体粉充分混合，得到均勻的料浆；3)烘干研磨得到的料浆在50 60°C空气气氛条件下烘18 24小时，然后在 100 150°C温度下烘2 5小时，过80目筛，得到前驱体混合粉末；4)高温合成将前驱体混合粉末装入氧化铝坩埚中，松装装料高度控制在15mm以 下，盖上盖子，放入大的石墨坩埚中并加盖，置于氮气氛炉中以2 10°C /min的升温速度升 温至1700 1800°C，氮气流量为0. 5 51/min，在高纯流动氮气下保温2 6小时，得到 单相氮氧化铝粉末；5)低温除碳将所得产物粉末在空气中650 700°C保温2 24小时除去残余 碳；6)高能球磨破碎采用氧化锆磨球作为球磨介质，球料比为5 15 1，按混合粉 末质量的1 1 3加入适量无水乙醇，将除碳后的粉末高能球磨5 24小时，重复步骤 3)，得到超细、高纯的Y-A10N粉末。所述碳源可为炭黑或纳米竹碳粉。所述、-A1203粉可为高比表面积的、-A1203粉，其平均粒度为0. 4 ii m，比表面积 为 90 110m2/go所述炭黑粒度为10 60nm，所述纳米竹碳粉粒度为100 200nm。可采用氧化铝坩埚与石墨坩埚组合以防止合成粉体过度氮化及高温条件下组份 挥发，其中氧化铝坩埚纯度为99. 5%以上。本发明方法将高能球磨技术、碳热还原氮化法结合起来制备氮氧化铝粉体，提高 了粉体活性，降低了粉体合成温度和合成时间。同时，通过优化氧化铝坩埚与石墨坩埚组合 以防止合成粉体过度氮化及组份高温挥发，从而使合成粉体接近标准化学计量比。本发明利用氧化铝粉和碳源(炭黑，纳米竹碳粉)为合成原料，原料成本低。采用 高能球磨混合前驱体粉末，氧化铝粉和碳源混合均勻、充分，得到的混合粉末具有较高的反 应活性，采用碳热还原氮化法在较低的合成温度和较短的保温时间处理后，合成了纯相氮 氧化铝粉末，合成的粉末疏松、均勻，易于球磨后处理。获得的氮氧化铝粉末经高能球磨后， 得到了具有较细颗粒尺寸、较低团聚状态、高纯度的氮氧化铝粉末，该粉末是一种适合制备 高性能透明氮氧化铝陶瓷的原料。采用本发明制备氮氧化铝粉末，节省了成本，工艺简单易 行，适用于工业化生产。
下面结合附图1-2和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。图1分别为实施例4、8、10、12获得的粉末的XRD图，从中可以看出所合成粉末由 单一 Y-A10N相构成；未见其它杂相。图2分别为实施例4、8、10、12获得的粉末的SEM形貌照片，其中a)图为实施例4获得的粉末的SEM照片，粉体由棱角明显，表面光滑平整的多面体 颗粒组成，且粉末颗粒发育完整，尺寸分布均勻；b)图为实施例8获得的粉末的SEM照片，可以看出粉体与常规陶瓷粉末的形貌 相似，无明显特征，粉末的颗粒尺寸比较均勻；c)图为实施例12获得的粉末的SEM照片，棱角明显，表面光滑平整的多面体颗粒， 且粉末的颗粒尺寸比较均勻；d)图为实施例10获得的粉末的SEM照片，粉体与常规陶瓷粉末的形貌相似，无明 显特征，粉末的颗粒尺寸比较均勻；
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体例，进一步阐述本发明。实施例1 4选取高纯度的Y -A1203粉(平均粒径为0. 4 ii m，比表面积为90 110m2/g)与纳 米竹炭粉(粒径100 200nm)按照表1比例混合配制前驱粉体各100克；粉体混合后加入 250克无水乙醇，以直径为10mm的氧化锆球作为磨球，磨球质量为500克，装入行星式高能 球磨机，在工作频率50Hz的条件下，高能球磨混合2小时；将得到的料浆在55°C烘24小时 后，再经120°C干燥5小时，过80目筛；过筛后得到的前驱体混合粉末装入直径为30mm的 氧化铝坩埚(99瓷)中，控制粉体松装高度小于15mm，盖上盖子，放入大的石墨坩埚中并加 盖，以10°C /min的升温速度升温至1100°C，再以5°C /min的升温速度升温至1700°C，在高 温氮气氛下保温4小时，氮气流量为1. 51/min ；然后在700°C保温10小时除碳；取氮氧化 铝粉末50克，加入酒精45克，加入氧化锆磨球600克，高能球磨24小时，得到平均粒度为 0. 7 0. 9 y m的亚微米级氮氧化铝粉末。实施例5 8按照实施例1的方法进行实施例5，所不同的是采用炭黑(平均粒径为18nm)作为 碳源。得到的氮氧化铝粉末经高能球磨后得到平均粒度为0. 7 0. 9 y m的亚微米级氮氧 化铝粉末。实施例9 10按照实施例1的方法进行实施例9、10，所不同的是采用高温合成时间为2小时。得 到的氮氧化铝粉末经高能球磨后得到平均粒度为0. 7 0. 9 y m的亚微米级氮氧化铝粉末。实施例11 12按照实施例5的方法进行实施例11、12，所不同的是采用高温合成时间为2小时。 得到的氮氧化铝粉末经高能球磨后得到平均粒度为0. 4 0. 7 y m的亚微米级氮氧化铝粉末。
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并对实施例1-12的高温合成样品进行xrd分析，xrd分析表明合成粉体为单相氮 氧化铝粉末，未见其它杂项存在。部分实施例的xrd图谱见图1，图1中为实施例4、8、10、 12样品的xrd图谱。并对高温合成粉末的形貌进行了扫描电镜分析，图2中为实施例4、8、 10、12样品的扫描电镜照片。从图1所示xrd谱图可知，产物粉体由单一氮氧化铝相组成， 未发现其他杂质相存在。粉体的sem形貌如图2所示，粉体与常规陶瓷粉末的形貌相似，无 明显特征，粉末的颗粒尺寸比较均勻。表1各实施例中的原料配比、合成工艺及样品表 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等同物界定。
权利要求
一种超细、高纯γ AlON透明陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)配料将γ Al2O3粉与碳源混合配制前驱体粉，其中碳的质量配比范围为5.3～6.2％，其余为γ Al2O3粉；2)混料将前驱体粉按质量比1∶1～3加入适量无水乙醇，通过湿法研磨使得前驱体粉充分混合，得到均匀的料浆；3)烘干研磨得到的料浆在50～60℃空气气氛条件下烘18～24小时，然后在100～150℃温度下烘2～5小时，过80目筛，得到前驱体混合粉末；4)高温合成将前驱体混合粉末装入氧化铝坩埚中，松装装料高度控制在15mm以下，盖上盖子，放入大的石墨坩埚中并加盖，置于氮气氛炉中以2～10℃/min的升温速度升温至1700～1800℃，氮气流量为0.5～5l/min，在高纯流动氮气下保温2～6小时，得到单相氮氧化铝粉末；5)低温除碳将所得产物粉末在空气中650～700℃保温2～24小时除去残余碳；6)高能球磨破碎采用氧化锆磨球作为球磨介质，球料比为5～15∶1，按混合粉末质量的1∶1～3加入适量无水乙醇，将除碳后的粉末高能球磨5～24小时，重复步骤3)，得到超细、高纯的γ AlON粉末。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源为炭黑或纳米竹碳粉。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Y_A1203粉为高比表面积的 Y-A1203粉，其平均粒度为0.4um,比表面积为90 110m2/g。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述炭黑粒度为10 60nm，所述纳 米竹碳粉粒度为100 200nm。
5.如权利要求1所述的一种超细、高纯Y-A10N透明陶瓷粉末的制备方法，其特征是: 采用氧化铝坩埚与石墨坩埚组合以防止合成粉体过度氮化及高温条件下组份挥发，其中氧 化铝坩埚纯度为99. 5%以上。全文摘要
本发明涉及一种γ-AlON粉末的制备方法，属于透明陶瓷材料制备领域。本发明采用高能球磨法结合高温碳热还原氮化法制备γ-AlON透明陶瓷粉末，其特征在于以高比表面积的γ-Al2O3粉和碳源(炭黑或纳米级炭粉)为原料，经湿法高能球磨混合均匀后烘干，置于氧化铝与石墨的组合坩埚中进行高温碳热还原氮化反应，再经低温处理除碳，最后高能球磨破碎后得到超细、高纯的单相γ-AlON粉末。采用本发明可在较低的合成温度下合成纯相氮氧化铝粉末，工艺简单易行，节省了成本，适用于工业化生产。
文档编号C04B35/58GK101928145SQ201010190470
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者施志伟, 王萍萍, 胡伟, 赵中坚, 邬浩, 雷景轩 申请人:上海玻璃钢研究院有限公司