专利名称：一种低温制备纳米氮化铝粉末的方法
技术领域：
本发明涉及低温燃烧合成技术领域，特别是涉及一种低温碳热还原法制备超细氮 化铝粉末的方法。
背景技术：
氮化铝具有高热导率、高电绝缘性及与硅相近的热膨胀系数，因而在通讯和电子 器件领域受到重视，已成为目前最有希望的新一代陶瓷基片材料，也是一种具有广阔开发 前景的高温结构陶瓷材料。目前，氮化铝粉末生产方法主要有金属铝直接氮化法，氧化铝高 温碳热还原法。碳热还原法是氧化铝粉末和碳粉的混合物在氮气和/或氨气中加热反应的 方法，由于原料来源广泛，设备简单，能制备质量高的氮化铝粉末，成为最主要的工业化生 产方法。但是由于氧化铝反应活性差，因此需要在高温下(通常反应温度高于1600°C )长 时间(通常大于3h)才能完成合成反应，这也造成氮化铝粉末的价格居高不下。针对碳热 还原法反应温度高，反应时间长的缺点，西安交通大学的刘新宽、马明亮、周敬恩等人提出 了机械力活化的方法来提高氧化铝的活性，可将氮化铝的合成温度降低至1250°C [耐火材 料，1998，6]。但是这种方法有两个主要的缺点一是工艺周期太长，仅氧化铝和碳粉就要 用高能球磨机球磨40小时以上。二是粉末污染严重。经过长时间的高能球磨，会有大量球 磨机组成材料，主要是铁混入粉末。根据检测，经过20小时高能球磨后，粉末中铁含量高达 15%。
发明内容
为克服上述已有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种低温制备纳米 氮化铝粉末的方法，这是一种改进的机械力活化低温碳热还原合成超细氮化铝粉末的方 法，简化生产工艺，提高粉末质量。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种低温制备纳米氮化铝粉末的方法，该方法包括以下步骤步骤1 清洗，是先取氧化铝进行球磨，使得在球磨过程中，氧化铝在磨球以及球 磨罐壁上包覆上一层；步骤2 球磨，将称量的氧化铝粉末放入清洗过的球磨机中，按照球料比15 30 1的比例，在氩气保护下，球磨30分钟 2小时，球磨机转速为500-700rpm ；步骤3 合成，将高能球磨过的氧化铝与活性炭混合，装入反应炉中，反应温度为 1350 1400°C，反应时间为2. 5 6小时，气氛为流通氮气，气流量为30ml/min，反应后，随 炉冷却并在空气中保温，得到氮化铝粉末。步骤3中，氧化铝与活性炭是按质量比0.5 2 1混合。步骤3中，反应后，随炉冷却至600 700°C，在空气中保温3小时，以除去多余的 碳，得到氮化铝粉末。与现有技术相比，本发明的有益效果可以是
本发明低温制备纳米氮化铝粉末的方法，通过短时间的高能球磨，仅球磨氧化铝， 缩短了合成周期，将引入的杂质控制在一定范围，同时又使得氮化铝的合成温度降低，可以 得到质量很好的氮化铝粉末，氮化铝晶粒尺寸为纳米级。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明的具体实施方式
做进一步详细的说明，但不应以此限制 本发明的保护范围。本发明使用市售氧化铝和活性炭做原料。其主要工艺步骤如下1.清洗。所谓清洗实际上是先取一些氧化铝进行球磨，在球磨过程中，氧化铝就会 在磨球以及球磨罐壁上包覆上一层，这样，在后续球磨时氧化铝就不是直接接触球磨罐和 磨球，从而减少污染。据检测，经过清洗后的球磨机再球磨氧化铝，球磨IOh混入的铁杂质 含量在0. 以下。2.球磨。将称量的氧化铝粉末放入清洗过的球磨机中，按照球料比15-30 1的 比例，在氩气保护下，球磨30min-2h。球磨机转速为500_700rpm。氧化铝是典型的脆性材 料，高能球磨30min，氧化铝颗粒就可细化至纳米级。经检测，球磨30min后，氧化铝的晶粒 尺寸可细化到55nm，从而使得活性增加，氮化铝合成温度降低。3.合成。将高能球磨过的氧化铝与活性炭按质量比1 1混合，装入反应炉中。 反应温度为1350 1400°C，反应时间为2. 5 6小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min， 在不同温度及时间反应后，随炉冷却至650°C，在空气中保温3h，以除去多余的碳，得到氮 化铝粉末。本发明方法的具体步骤如下1.称取IOOg氧化铝，按照球料比30 1的比例进行高能球磨，高能球磨设备采用 搅拌式高能球磨机，球磨时采用高纯氩气保护，循环水冷却。球磨2h后将氧化铝粉取出丢弃。2.再称取质量为IOOg的氧化铝，放入清洗过的球磨机中，按照球料比15-30 1 的比例，在氩气保护下，球磨30min-lh。球磨机转速500_700rpm。3.称取高能球磨过的氧化铝10g，与活性炭按质量比1 1混合比例，装入反应炉 中。反应温度为1350 1400°C，反应时间为2. 5 6小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/ min。反应后，随炉冷却至650°C，在空气中保温3h，以除去多余的碳，得到氮化铝粉末。产物中氮化铝与氧化铝的含量由X-射线衍射定量分析方法及化学分析方法测 量。X-射线衍射法由氧化铝和氮化铝的衍射峰强度及参比强度(Reference Intensity)确 定。取 α -Α1203 的(113)晶面(2 θ = 43. 4° )和氮化铝的(110)晶面(2 θ = 33. 2° ) 的衍射峰分析。化学分析法是分析粉末中的氮含量，换算成氮化铝的含量，氮含量用熔融法 测量。X-射线衍射分析结果表明，所得粉末为氮化铝，化学分析表明此产品的氮含量为 32. 56 %，氧含量为1. 75%，利用扫描电镜观察氮化铝粉末，发现合成的氮化铝粉末为形状 规则的球形颗粒，粉末粒度分布均勻，分散性良好。本发明提供的具体实施例如下实施例1 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放入清洗过的球磨机中，按照球料比15 1的比例，在氩气保护下进行球磨30min。采用球磨 转速为500rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入 反应炉中，反应温度为1350°C，反应时间为3小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随 炉冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为31. 48%， 氧含量为2. 75%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为55nm，铁杂质含量小于0. 1%。实施例2 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放 入清洗过的球磨机中，按照球料比30 1的比例，在氩气保护下进行球磨2h。采用球磨转 速为700rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入反 应炉中，反应温度为1400°C，反应时间为6小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随炉 冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为32. 56%，氧 含量为1. 55%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为40nm，铁杂质含量小于0. 1%。
实施例3 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放 入清洗过的球磨机中，按照球料比15 1的比例，在氩气保护下进行球磨30min。采用球磨 转速为700rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入 反应炉中，反应温度为1400°C，反应时间为6小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随 炉冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为32. 56%， 氧含量为1. 70%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为50nm，铁杂质含量小于0. 1 %。实施例4 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放 入清洗过的球磨机中，按照球料比30 1的比例，在氩气保护下进行球磨2h。采用球磨转 速为500rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入反 应炉中，反应温度为1350°C，反应时间为3小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随炉 冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为31. 28%，氧 含量为2. 75%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为55nm，铁杂质含量小于0. 1%。实施例5 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放 入清洗过的球磨机中，按照球料比20 1的比例，在氩气保护下进行球磨30min。采用球磨 转速为600rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入 反应炉中，反应温度为1350°C，反应时间为3小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随 炉冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为32. 56%， 氧含量为1. 75%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为55nm，铁杂质含量小于0. 1%。实施例6 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放 入清洗过的球磨机中，按照球料比20 1的比例，在氩气保护下进行球磨lh。采用球磨转 速为600rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入反 应炉中，反应温度为1380°C，反应时间为4小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随炉 冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为32. 38%，氧 含量为1. 75%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为55nm，铁杂质含量小于0. 1 %。实施例7 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放 入清洗过的球磨机中，按照球料比20 1的比例，在氩气保护下进行球磨lh。采用球磨转 速为600rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入反 应炉中，反应温度为1400°C，反应时间为6小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随炉冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为32. 38%，氧 含量为1. 75%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为55nm，铁杂质含量小于0. 1%。实施例8 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放 入清洗过的球磨机中，按照球料比15 1的比例，在氩气保护下进行球磨30min。采用球磨 转速为500rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入 反应炉中，反应温度为1380°C，反应时间为3小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随 炉冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为32. 48%， 氧含量为1. 75%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为55nm，铁杂质含量小于0. 1 %。实施例9 先用IOOg氧化铝对球磨机进行清洗，再称取质量为IOOg的氧化铝，放 入清洗过的球磨机中，按照球料比30 1的比例，在氩气保护下进行球磨2h。采用球磨转 速为700rpm。称取高能球磨过的氧化铝10g，与碳黑按质量比1 1混合比例，然后装入反 应炉中，反应温度为1380°C，反应时间为3小时，气氛为流通N2，气流量为30ml/min。随炉 冷却至650°C，在空气中保温3h，得到氮化铝粉末。合成的氮化铝粉末氮含量为32. 50%，氧 含量为1. 75%。球磨后氧化铝晶粒尺寸为55nm，铁杂质含量小于0. 1%。本发明针对机械力活化合成方法的缺点，发展了一种低温碳热还原合成氮化铝粉 末的方法，本发明的优点在于，大幅缩短了球磨活化的时间，降低了氮化铝的合成温度，可以 在1350-1400°C间的低温下实现氮化铝的合成，同时，粉末中杂质含量在可控制的低水平。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。任何 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与 润饰，因此本发明的保护范围应当视权利要求书所界定范围为准。
权利要求
一种低温制备纳米氮化铝粉末的方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤1清洗，是先取氧化铝进行球磨，使得在球磨过程中，氧化铝在磨球以及球磨罐壁上包覆上一层；步骤2球磨，将称量的氧化铝粉末放入清洗过的球磨机中，按照球料比15～30∶1的比例，在氩气保护下，球磨30分钟～2小时，球磨机转速为500-700rpm；步骤3合成，将高能球磨过的氧化铝与活性炭混合，装入反应炉中，反应温度为1350～1400℃，反应时间为2.5～6小时，气氛为流通氮气，气流量为30ml/min，反应后，随炉冷却并在空气中保温，得到氮化铝粉末。
2.根据权利要求1所述的低温制备纳米氮化铝粉末的方法，其特征在于步骤3中，氧化 铝与活性炭是按质量比0.5 2 1混合。
3.根据权利要求1所述的低温制备纳米氮化铝粉末的方法，其特征在于步骤3中，反应 后，随炉冷却至600 700°C，在空气中保温3小时，以除去多余的碳，得到氮化铝粉末。
全文摘要
本发明公开了一种低温制备纳米氮化铝粉末的方法，包括以下步骤步骤1清洗，是先取氧化铝进行球磨，使得在球磨过程中，氧化铝在磨球以及球磨罐壁上包覆上一层；步骤2球磨，将称量的氧化铝粉末放入清洗过的球磨机中，按照球料比15～30∶1的比例，在氩气保护下，球磨30分钟～2小时，球磨机转速为500-700rpm；步骤3合成。本发明是一种改进的机械力活化低温碳热还原合成超细氮化铝粉末的方法，简化生产工艺，提高粉末质量。
文档编号C01B21/072GK101830448SQ20101016935
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者刘平, 刘新宽, 周敬恩, 席生岐, 马明亮 申请人:上海理工大学