专利名称：一种制备高纯AlON粉体的方法
技术领域：
本发明涉及一种AlON粉体的制备方法，具体说，是涉及一种制备高纯AlON粉体的方法，属于陶瓷材料技术领域。
背景技术：
透明A10N(即氧氮化铝固溶体)陶瓷具有一系列优异的机械和光学性能，如高的强度、硬度和耐化学腐蚀性，以及从紫外到中红外波段的良好光学透过性，作为长寿命光电窗口等在现代国防领域存在着广阔的应用前景。但是，受原料粉体的限制，透明AlON陶瓷难烧结，烧结温度通常高达1950 2000°C，如此苛刻的烧结条件不仅对烧结设备提出了很高的要求，而且增加了材料的制备成本，并且高温下陶瓷体内部晶粒的过分长大也不利于材料力学性能和应用可靠性的提高。根据反应原理的不同，目前存在多种AlON制备途径，其中Al2O3AlN固相反应法和A1203/C碳热还原法因工艺简单且所制备的粉体纯度高等优点作为AlON粉体制备的主要方法而被广泛应用。但由于AlON在1640°C以下热力学不稳定，受该因素的制约其制备温度必须要达到1640°C以上，这在一定程度上影响了 AlON粉体的制备。而更为重要的是，在常规固相反应法和碳热还原法制备高纯AlON粉体时，由于原料粉体中AlN或C的含量相对较少，通过机械混合的方式，即使原料粉体中各组分达到了高度均勻的混合也很难实现易烧结性Al2O3颗粒被难烧结性AlN或C颗粒的充分有效隔离。上述因素极易导致原料粉体中相邻Al2O3颗粒在AlON制备过程的高温阶段发生局部烧结和优先汇聚长大并促使AlON的制备温度进一步升高。基于以上原因，目前固相反应法和碳热还原法制备高纯AlON粉体的温度一般都高达1800°C左右，即使以纳米粉体为原料其制备温度也在1700°C以上，有时甚至同样达到1800°C ；并且所得AlON粉体颗粒粗大，通常在几个微米甚至十几微米，这严重影响了材料的烧结。因此，如何制备高纯、低团聚、粒径较小的AlON粉体已成为透明AlON陶瓷发展过程中急待解决的难题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种制备高纯AlON粉体的方法，以满足透明AlON陶瓷材料的应用要求。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下一种制备高纯AlON粉体的方法，是首先将纳米Al2O3粉体分散于溶剂中，然后加入热固性树脂的聚合单体，使聚合单体在Al2O3颗粒表面进行原位聚合反应，生成树脂聚合物包覆Al2O3颗粒的复合前驱体，再对所述复合前驱体在惰性气氛中于800 1100°C进行热解反应，最后在氮气氛下于1680 1750°C进行碳热还原反应。所述的热固性树脂优选为脲醛树脂或酚醛树脂。作为进一步优选方案，当所述的热固性树脂为脲醛树脂时，制备高纯AlON粉体的方法，包括如下具体步骤
a)将纳米Al2O3粉体在分散剂作用下分散于溶剂中；b)依次加入尿素、甲醛和适量的稀盐酸，使体系的PH值达到2 3 ；c)加热到回流，并进行回流反应5 8小时，致使甲醛和尿素在盐酸的催化作用下充分聚合形成脲醛树脂，实现脲醛树脂对Al2O3颗粒的原位包覆，得到树脂聚合物包覆Al2O3颗粒的复合前驱体；d)进行真空干燥后，在惰性气氛中于800 1100°C进行热解反应，得到A1203/C复合粉体；e)将得到的A1203/C复合粉体在氮气氛下于1680 1750°C进行碳热还原反应，即得所述的高纯AlON粉体。所述的纳米Al2O3粉体优选粒径为20 IOOnm的γ _Α1203。所述的纳米Al2O3粉体在溶剂中的质量浓度优选为0. 05 0. 5g/mL。所述的溶剂优选为水。所述的纳米Al2O3粉体与树脂聚合物的质量比优选为0.9 1 1.1 1。所述的惰性气氛为氮气氛或氩气氛。所述的分散剂优选为聚丙烯酸铵。步骤d)中的真空干燥温度优选为100 130°C。与现有技术相比，本发明通过热固性树脂在Al2O3颗粒表面进行原位聚合反应，生成树脂聚合物包覆Al2O3颗粒的复合前驱体。该独特结构不仅可以使得有机高聚物的热解碳对Al2O3颗粒实现良好的包覆隔离，而且可以显著提高热解碳与Al2O3颗粒的接触面积和混合均勻度，这对阻止碳热还原过程中Al2O3颗粒间的局部烧结和汇聚长大，从而降低AlON粉体的制备温度及其颗粒尺寸和团聚度具有重要作用。相较于常规碳热还原法，由本发明方法制备的AlON粉体纯度更高，粉体颗粒尺寸更小(不超过1 μ m)。
图1为实施例1中制备的A1203/C复合粉体的透射电镜照片，其中(a)表示复合粉体的总体形貌照片；(b)和(c)均表示复合粉体中孤立的Al2O3颗粒的高分辨透射电镜照片；图2为实施例1中在不同碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的XRD图谱；图3为实施例1中在1700°C的碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的扫描电镜照片和粒度分布图；图4为实施例1中在1720°C的碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的扫描电镜照片和粒度分布图；图5为实施例2中在不同碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的XRD图谱；图6为实施例2中在1700°C的碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的扫描电镜照片和粒度分布图；图7为实施例2中在1720°C的碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的扫描电镜照片和粒度分布图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细、完整地说明。实施例1a)以聚丙烯酸铵为分散剂将50克纳米、-Al2O3 (20nm)分散到500ml蒸馏水中；b)依次加入21. 9克尿素、21. 6克甲醛和适量的稀盐酸，使系统的pH值为2 3，加热到回流，并进行回流反应5小时，使甲醛和尿素在盐酸的催化作用下聚合形成脲醛树脂，实现脲醛树脂对Al2O3颗粒的原位包覆；c)将制得的脲醛树脂/Al2O3复合前驱体悬浮液于120°C进行真空干燥5小时，然后在氩气氛下于800°C热解反应2小时，使脲醛树脂原位热解为C ；此时所得A1203/C复合粉体的C含量约为5. 4wt% ；d)将制得的A1203/C复合粉体分为3等份，分别在氮气氛下于1680°C、1700°C、1720°C进行碳热还原反应3小时。图1为本实施例中制备的A1203/C复合粉体的透射电镜照片，其中(a)表示复合粉体的总体形貌照片；(b)和(c)均表示复合粉体中孤立的Al2O3颗粒的高分辨透射电镜照片；由图1可见复合粉体中的Al2O3颗粒呈明显的核-壳结构，说明脲醛树脂对纳米Al2O3颗粒实现了良好的表面包覆。图2为本实施例中在不同碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的XRD图谱；由图2可见在碳热还原温度为1680°C下制得的AlON粉体中存在有微量的Al2O3和AlN杂质相；当碳热还原温度> 1700°C时，粉体中几乎全部为AlON相，制得的AlON粉体的纯度很高。图3为本实施例中在1700°C的碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的扫描电镜照片和粒度分布图；图4为本实施例中在1720°C的碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的扫描电镜照片和粒度分布图；由图3和图4均可见所制得的高纯AlON粉体的团聚度低，分散性好；且粉体的颗粒粒径均呈双峰分布特征，且最大粒径不超过1 μ m，粉体粒径可达到纳米级。实施例2a)以聚丙烯酸铵为分散剂将50克纳米、-Al2O3 (20nm)分散到500ml蒸馏水中；b)依次加入26. 3克尿素、25. 9克甲醛和适量的稀盐酸，使系统的pH值为2 3，加热到回流，并进行回流反应5小时，使甲醛和尿素在盐酸的催化作用下聚合形成脲醛树脂，实现脲醛树脂对Al2O3颗粒的原位包覆；c)将制得的脲醛树脂/Al2O3复合前驱体悬浮液于120°C进行真空干燥5小时，然后在氩气氛下于800°C热解反应2小时，得到C含量约为6. 5wt%的A1203/C复合粉体；d)将制得的A1203/C复合粉体分为3等份，分别在氮气氛下于1680°C、1700°C、1720°C进行碳热还原反应3小时。图5为本实施例中在不同碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的XRD图谱；由图5可见在碳热还原温度为1680°C及1700°C下制得的AlON粉体中均存在有微量的Al2O3和AlN杂质相；当碳热还原温度为1720°C时，粉体中几乎全部为AlON相，制得的AlON粉体的
纯度很高。图6为本实施例中在1700°C的碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的扫描电镜照片和粒度分布图；图7为本实施例中在1720°C的碳热还原温度下制得的高纯AlON粉体的扫描电镜照片和粒度分布图；由图6和图7均可见所制得的高纯AlON粉体的团聚度低，分散性好；且粉体的颗粒粒径均呈双峰分布特征，且最大粒径不超过1 μ m，粉体粒径可达到纳米级。 最后有必要在此指出的是以上实施例只用于对本发明作进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于是首先将纳米Al2O3粉体分散于溶剂中，然后加入热固性树脂的聚合单体，使聚合单体在Al2O3颗粒表面进行原位聚合反应，生成树脂聚合物包覆Al2O3颗粒的复合前驱体，再对所述复合前驱体在惰性气氛中于800 1100°C进行热解反应，最后在氮气氛下于1680 1750°C进行碳热还原反应。
2.根据权利要求1所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于所述的热固性树脂为脲醛树脂或酚醛树脂。
3.根据权利要求2所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于，当所述的热固性树脂为脲醛树脂时，制备高纯AlON粉体的方法包括如下具体步骤a)将纳米Al2O3粉体在分散剂作用下分散于溶剂中；b)依次加入尿素、甲醛和适量的稀盐酸，使体系的pH值达到2 3；c)加热回流，并进行回流反应5 8小时，致使甲醛和尿素在盐酸的催化作用下充分聚合形成脲醛树脂，实现脲醛树脂对Al2O3颗粒的原位包覆，得到树脂聚合物包覆Al2O3颗粒的复合前驱体；d)进行真空干燥后，在惰性气氛中于800 1100°C进行热解反应，得到A1203/C复合粉体；e)将得到的A1203/C复合粉体在氮气氛下于1680 1750°C进行碳热还原反应，即得所述的高纯AlON粉体。
4.根据权利要求1或3所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于所述的纳米Al2O3粉体是粒径为20 IOOnm的y -Al2O30
5.根据权利要求1或3所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于所述的纳米Al2O3粉体在溶剂中的质量浓度为0. 05 0. 5g/mL。
6.根据权利要求1或3所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于所述的溶剂为水。
7.根据权利要求1或3所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于所述的纳米Al2O3粉体与树脂聚合物的质量比为0.9 1 1. 1 1。
8.根据权利要求1或3所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于所述的惰性气氛为氮气氛或氩气氛。
9.根据权利要求3所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于所述的分散剂为聚丙烯酸铵。
10.根据权利要求3所述的制备高纯AlON粉体的方法，其特征在于步骤d)中的真空干燥温度为100 130°C。
全文摘要
本发明公开了一种制备高纯AlON粉体的方法，是首先将纳米Al2O3粉体分散于溶剂中，然后加入热固性树脂的聚合单体，使聚合单体在Al2O3颗粒表面进行原位聚合反应，生成树脂聚合物包覆Al2O3颗粒的复合前驱体，再对所述复合前驱体在惰性气氛中于800～1100℃进行热解反应，最后在氮气氛下于1680～1750℃进行碳热还原反应。本发明可以显著提高热解碳与Al2O3颗粒的接触面积和混合均匀度，阻止碳热还原过程中Al2O3颗粒间的局部烧结和汇聚长大，从而降低了AlON粉体的制备温度及其颗粒尺寸和团聚度，所制备的AlON粉体纯度高，粉体颗粒尺寸不超过1μm。
文档编号C01F7/00GK102557087SQ20111042207
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者孙静, 靳喜海, 高濂 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所