一种合成纳米氧化铝粉体的方法

专利名称：一种合成纳米氧化铝粉体的方法
技术领域：
本发明涉及合成纳米氧化铝粉体的方法，属于材料科学技术领域。
背景技术：
氧化铝陶瓷的熔点高、硬度大，而且具有优良的热稳定性和化学稳定性，
是优异的工程陶瓷材料之一；但其离子键较强，从而导致其质点的扩散系数低、 烧结温度高，例如99氧化铝的烧结温度高达175(TC以上。如此高的烧结温度将促 使晶粒急剧生长，残余气孔聚集长大，从而导致材料的力学性能降低，同时也 造成材料气密性变差，并对窑炉耐火砖的损害加大。因而，降低氧化铝陶瓷的 烧结温度、縮短烧成周期、减少对窑炉和窑具的损害、降低能耗，是氧化铝陶 瓷行业所关心和急需解决的重要课题。史国普等(济南大学学报，2007， 21， 1， 17-19)选用CaO-MgO-Si02(CMS)和Ti02两种添加剂来降低氧化铝陶瓷的烧结温 度，结果发现当CMS质量分数为6。/。、Ti02质量分数为in/。时，氧化铝陶瓷在1500 。C烧结后可达到相对密度的98.71。/。。 Ceramics International, 1996, 22(1): 33-37采 用B203来降温烧结Al203陶瓷，可以有效将其烧结温度降低到145(TC以下。 Ceramics International, 2002, 28: 195-200通过MnO与TiO2的添加，将氧化铝陶瓷 的烧结温度降低到了130(TC以下。刘于昌等(硅酸盐学报，2006， 34， 6， 647-651) 研究了CuO-Ti02复相添加剂对Al203陶瓷烧结性能、显微结构的影响规律，有效 将氧化铝陶瓷的烧结温度降低到1300。C。
除了在氧化铝粉体中添加助剂降低其烧结温度外，通过细化粒径获得纳米 级粉体、提高粉体表面活化能，进而降低其烧结温度的方法亦得到了广泛研究。 Huang C L等在Materials Research Bulletin, 2008, 43(6): 1463-1471与Materials Letters, 2005， 59(28): 3746-3749中以纳米级氧化铝粉体为原料，在145(TC实现了 氧化铝陶瓷的致密烧结；李江等(无机材料学报，2003， 18， 6， 1192-1198)以 湿化学法制备的纳米a-Al203粉体作为添加剂、MgO和Si02为烧结助剂，对商用 Y-Al203粉体预处理后，在145(TC烧结获得高性能的氧化铝陶瓷；但上述利用超 细粉体作为原料的方法对降低氧化铝陶瓷烧结温度的作用有限。
纳米级的氧化铝粉体除了能降低陶瓷的烧结温度外，还是一种新型的功能 材料，它具有耐高温、耐化学腐蚀、耐磨和高硬度、高强度以及高表面活性等 特点，已成为极其重要的陶瓷材料、复合材料、催化剂及其载体材料，在高强 度材料、电子材料、填料、磨料、刃具以及催化剂等方面已经得到了广泛应用。纳米氧化铝粉体的制备工艺多种多样，有固相法、气相法、液相法等，其中沉 淀法、溶胶-凝胶法等湿化学方法是应用最广、最为成熟的方法。韩冰等(化学
工业与工程，2006， 23， 6， 512-515)利用硝酸铝溶液和碳酸铵溶液的沉淀反应 制备一种氧化铝的前驱体，在121(TC煅烧后获得一次粒径在40nm左右的 ct-Al203。张永成等(硅酸盐通报，2007， 26， 5， 901-904)以A1(N03)3'9H20、 NH4HC03为原料，采用化学沉淀法制备了NH4A1(0H)2C03和AIO(OH)前驱体，
通过X射线衍射、透射电镜和热膨胀仪研究发现Al203粉体具有较高的结晶温度
和a相变温度，在110(TC煅烧后获得e与cc两相共存的纳米Al2O3粉体。赵玉成等(燕 山大学学报，2005， 29， 1， 88-91)以廉价的无水氯化铝为主要原料，采用液相 法制备出Al(OH)3沉淀，经120(TC煅烧2小时后，获得平均粒径30 80nm的 a-Al203。史桂梅等(沈阳工业大学学报，2007， 29， 3， 275-278)以异丙醇铝 为原料，采用溶胶-凝胶法制备出了纳米Al203粉体，在45(TC热处理干凝胶后获 得粒径在10nm左右的非晶体，在120(TC的温度下处理lh后完全转变成粒径在 15 35nm的cc-Al203纳米颗粒。上述文献报道表明，纳米《-八1203粉体的合成温度 一般在120(TC左右，低于1200。C时很难获得单一物相的cc-Al2O3粉体。

发明内容
本发明的目的是提供一种在较低温度下合成纳米氧化铝粉体的方法，从而 实现节能降耗。
本发明的合成纳米氧化铝粉体的方法，包括以下步骤
(1) 将铝的无机盐溶解于去离子水中，形成0.5 2.0mol/l铝的无机盐水溶液， 再按每升溶液20g的量加入分散剂，混合搅拌均匀；
(2) 将硝酸铜、硝酸锰和钛酸四丁酯溶解于无水乙醇中，硝酸铜硝酸锰
钛酸四丁酯的摩尔比为0.01 0.5: 0.01 0.5: 0.1 8.0，用浓硝酸与乙酸调节溶 液pH值到2.5 4.5;
(3) 将上述步骤(1)和(2)两溶液混合，使铜与铝的摩尔比为0.01 0.5: 100;将混合溶液搅拌均匀后置于80 10(TC的水浴或烘箱中，直至获得粘稠的 浅蓝色胶体，冷却后获得干凝胶；
(4) 将干凝胶放入高铝坩埚中，在800 110(TC煅烧，得到纳米氧化铝粉体; 本发明中，所述的铝的无机盐可为A1(N03)3'9H20、Al(OH)(CH3COO)2'2H20、
C6H9A106、 C9H21A103、 A1C13'6H20、 Al(OH)3，以及铝溶胶中的一种或几种；所 述的分散剂可为油酸、脂肪酸、聚乙二醇PEG、聚乙烯醇PVA、聚乙烯醇縮丁 醛PVB，以及C38H76N202中的一种或几种。本发明所采用的原材料来源广泛、成本低廉。与现有技术相比，由于在铝 的无机盐中引入了铜锰钛等元素，在煅烧过程中将有部分氧化物出现熔化并促 进纳米氧化铝粉体的晶相形成与晶粒生长，能有效促进高温稳定型0t-Al2O3在较 低温度下完全形成，同时，由于分散剂的引入，利用其空间位阻作用，从而致 使纳米氧化铝粉体的粒径细小、颗粒分布均匀。
本发明的纳米氧化铝粉体可用于制备氧化铝陶瓷，由于钛与纳米氧化铝反 应形成空位，提高原子的扩散速率，同时利用微量低熔点氧化物的液相润湿作
用，可以将氧化铝陶瓷的烧结温度降低至125(TC以下。
具体实施例方式
下面结合实例对本发明作进一步描述。
实施例1:
称取lmol的A1(N03)3，9H20溶于一定量的去离子水中，形成lmol/1的硝酸 铝水溶液，加入20克的PEG400,混合搅拌均匀。将0.004mol硝酸铜、0.0001mo1 硝酸锰以及0.05mol钛酸四丁酯溶解于100ml无水乙醇中，再加入2ml浓硝酸、 50ml乙酸将系统pH值调节至3左右，搅拌均匀。将上述两溶液混合，搅拌2 小时后置于95。C的烘箱中，36小时后获得粘稠的浅蓝色胶体，随后进行冷却获 得干凝胶。将干凝胶放入高铝坩埚中，在IOO(TC煅烧2小时，即得到白色的纳 米氧化铝粉体。
对上述纳米氧化铝粉体进行透射电镜TEM分析，可以观察到粉体的平均颗 粒直径在80nm左右，XRD分析表明该粉体是高温稳定型a-Al203。将该纳米氧 化铝粉体压片后在123(TC烧结2小时得到氧化铝陶瓷，其体积密度达到了理论 密度的98.2%。
称取lmol的C9H^A103溶于一定量的去离子水中，形成1.5mol/l的异丙醇 铝水溶液，加入20克的油酸，混合搅拌均匀。将0.002mol硝酸铜、0.002mol 硝酸锰以及0.06mol钛酸四丁酯溶解于120ml无水乙醇中，再加入2ml浓硝酸、 60ml乙酸将系统pH值调节至3.1左右，搅拌均匀。将上述两溶液混合，搅拌2 小时后置于90'C的烘箱中，48小时后获得粘稠的浅蓝色胶体，随后进行冷却获 得干凝胶。将千凝胶放入高铝坩埚中，在102(TC煅烧2小时，即得到白色的纳 米氧化铝粉体。
对上述粉体进行透射电镜TEM分析，可以观察到粉体的平均颗粒直径在 85nm左右，XRD分析表明该粉体是高温稳定型ct-Al203。实施例3:
称取lmol的Al(N03)y9H20溶于一定量的去离子水中，形成1.8mol/l的硝 酸铝水溶液，加入20克的聚乙烯醇縮丁醛PVB，混合搅拌均匀。将0.003mo1 硝酸铜、0.001mol硝酸锰以及0.07mol钛酸四丁酯溶解于150ml无水乙醇中，再 加入3ml浓硝酸、30ml乙酸将系统pH值调节至2.8左右，搅拌均匀。将上述两 溶液混合，搅拌2小时后置于95'C的烘箱中，40小时后获得粘稠的浅蓝色胶体， 随后进行冷却获得干凝胶。将干凝胶放入高铝坩埚中，在98(TC煅烧2小时，即 得到白色的纳米氧化铝粉体。
对上述粉体进行透射电镜TEM分析，可以观察到粉体的平均颗粒直径在 80nm左右，XRD分析表明该粉体是高温稳定型ct-Al203。
权利要求
1、合成纳米氧化铝粉体的方法，包括以下步骤(1)将铝的无机盐溶解于去离子水中，形成0.5～2.0mol/l铝的无机盐水溶液，再按每升溶液20g的量加入分散剂，混合搅拌均匀；(2)将硝酸铜、硝酸锰和钛酸四丁酯溶解于无水乙醇中，硝酸铜硝酸锰钛酸四丁酯的摩尔比为0.01～0.50.01～0.50.1～8.0，用浓硝酸与乙酸调节溶液pH值到2.5～4.5；(3)将上述步骤(1)和(2)两溶液混合，使铜与铝的摩尔比为0.01～0.5100；将混合溶液搅拌均匀后置于80～100℃的水浴或烘箱中，直至获得粘稠的浅蓝色胶体，冷却后获得干凝胶；(4)将干凝胶放入高铝坩埚中，在800～1100℃煅烧，得到纳米氧化铝粉体；
2、 根据权利要求1所述的合成纳米氧化铝粉体瓷的制备方法，其特征在于: 所述的铝的无机盐为A1(N03)3'9H20、 Al(OH)(CH3COO)2'2H20、 C6H9A106、 C9H21A103、 A1C13'6H20、 Al(OH)3，以及铝溶胶中的一种或几种。
3、 根据权利要求1所述的合成纳米氧化铝粉体的制备方法，其特征在于 所述的分散剂为油酸、脂肪酸、聚乙二醇PEG、聚乙烯醇PVA、聚乙烯醇縮丁 醛PVB，以及(338&6化02中的一种或几种。
全文摘要
本发明公开的合成纳米氧化铝粉体的方法，其步骤包括(1)将铝的无机盐溶解于去离子水中，加入分散剂搅拌混合；(2)将硝酸铜、硝酸锰和钛酸四丁酯溶解于无水乙醇中，用浓硝酸和乙酸调节pH值到2.5～4.5；(3)将上述两溶液混合后搅拌均匀，置于80～100℃的水浴或烘箱中，一段时间后获得干凝胶；(4)将干凝胶放入高铝坩埚中，在800～1100℃煅烧，得到纳米氧化铝粉体。本发明所采用的原材料来源广泛易得、成本低廉，制备工艺简单可控，可以在较低温度下合成粒径细小、颗粒分布均匀、单一晶相的高温稳定型α-Al₂O₃纳米粉体，制得的纳米氧化铝粉体用于制备氧化铝陶瓷，其烧结温度可降低至1250℃以下，具有明显的节能降耗优势。
文档编号C01F7/00GK101456568SQ20081016412
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者周广淼, 徐时清, 王焕平, 邓德刚, 鞠海东 申请人:中国计量学院