一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法与流程

本发明涉及碳化物材料的制备方法，特别涉及一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法。

背景技术

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，因其轻质、可成型性好等优点，在工业上有着很广泛的应用。但铝及其合金却又面临着强度低、耐磨损性和高温性能差等发展问题。碳化铝(al4c3)是一种具有菱形六面体结构的离子型化合物，具有很高的硬度、剪切强度和熔点，使其成为了铝基材料理想的第二相强化材料。同时，它也经常作为添加剂增强三组元铝基材料(al-si-al4c3，al-al3ti-al4c3)的强度。另外，al4c3是金属铝工业技术领域中的一种重要的化合物，在冶金工业中用于还原金属氧化物，在化学工业用于化学反应催化剂，在陶瓷行业用于制作高温、切割和模具等高级陶瓷材料。作为一种离子型化合物，在al4c3的晶格结构中，碳原子以单独的c^4-形式存在。c^4-具有很强的碱性，水解时通过c^4-+4h⁺→ch4产生甲烷，所以al4c3也作为甲烷发生剂和干燥剂。同时，al4c3的菱形六面体是一种al2c和al2c2片层交替堆叠的结构，正是这种独特的结构，使得一维al4c3纳米线成为了一种极具潜力的冷电子发射体。

目前，al4c3的制备方法主要有金属直接碳化法，碳热还原法，溶胶凝胶法，微波合成法和高能机械球磨合成法。其中金属直接碳化法和碳热还原法是最早采用的合成方法，并且部分技术已经应用与工业生产。但这两种方法的缺点是所需要的的合成温度高，反应时间长，得到的粉末粒径大。而已知的高能球磨合成法中，关注的重点主要是少量的al4c3原位合成从而增强铝基材料，并不是al4c3的高纯度合成。同时，高能球磨本身皆具有球磨时间过长，能耗大，粉体颗粒不均匀等缺点。

公开号为cn102442668a的专利申请文件公开了一种由氧化铝制备碳化铝的方法。该方法是先将工业纯氧化铝和石墨混合，然后在压力为1～200pa下，经过60～120min升温至1450～1600℃，再保温30～120min，冷却后得到碳化铝。该工艺得到的碳化铝纯度较高，但是该方法的反应温度很高，在高温下需要很高的真空度，能耗比较大，对设备的要求比较高，并且得到的al4c3粉末的粒径大。

公开号为cn104118878a的专利申请文件公开了一种碳化铝制备方法。该方法先将氧化铝和碳按一定比例混合均匀，然后冷压成型成一定规格的块状物，再在一定的真空条件下，在1400-1600℃保持60-180min，冷却后得到碳化铝。该工艺的合成温度很高，也有很高的真空度要求，并且合成的碳化铝可能需要进一步地破碎和细化才能使用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，其特点是操作简单，成本低，合成温度低，转化率高，合成的碳化铝粉末粒径细小。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉、石墨粉均匀混合，在惰性气氛保护下采用等离子球磨机进行球磨，获得混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为25～35％，余量为铝粉；

(2)在流动惰性气氛保护下，将步骤(1)得到的混合粉末在600～1000℃进行烧结，制备出碳化铝粉末。

步骤(1)中所述球磨，具体参数为：

转速为600～1200rpm，放电电流为1～2.5a，球料比为20:1～50:1，球磨时间为1～10h；球磨介质为碳化钨硬质合金球。所述球磨的方式为球磨和停止交替运行的方式。每球磨20～30min，然后停止球磨20～40min。

步骤(1)中所述惰性气氛为氩气。

步骤(2)中所述烧结，具体参数为：

烧结温度600～1000℃，保温时间为1h～4h，在90～100min内冷却至室温。

步骤(2)所述惰性气氛为氩气；惰性气氛的流量为20～100ml/min。

本发明的方法可以加速粉体细化，降低粉末的激活能，促进合金化和固态反应过程，可以有效提高细化效率和活化效率，降低碳化合成温度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明在制备碳化铝粉末时采用等离子球磨机对原始粉末进行活化及细化，将冷场等离子体引入到机械球磨过程中，可以提高球磨的效率，并且使得粉末活性更高，激活能大大降低；

(2)本发明显著降低了碳化铝的合成温度，节约能源。

附图说明

图1为实施例1得到的碳化铝粉末的x射线衍射(xrd)图；

图2为实施例1得到的碳化铝粉末的扫描电子显微镜(sem)图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉进行简单均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，获得混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35％，余量为铝粉；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为1h(不包括停顿的时间)；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟(是指球磨30min，然后停止球磨30min，再球磨30min，如此重复)；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至1000℃且保温4h，随后管式炉空冷(在100min内冷却至室温)，获得碳化铝粉末。

图1为本实施例制备的碳化铝粉末的x射线衍射(xrd)图。图2为本实施例制备的碳化铝粉末的sem图。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为97.5％，纯度为97.85％，粉末的平均粒径为7μm。

实施例2

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉按al-35％c质量百分比(石墨粉质量占比为35％)进行均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为3h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至900℃且保温3h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为98.1％，纯度为98.14％，粉末颗粒的平均粒径为6μm。

实施例3

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉进行均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(等离子为冷场等离子体)，得到球磨后的混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35％，余量为铝粉；所采用的转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至800℃且保温3h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为98.4％，纯度为98.36％，粉末的平均粒径为4μm。

实施例4

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉进行均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35％，余量为铝粉；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为7h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至650℃且保温3h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为98.5％，纯度为98.68％，粉末的平均粒径为3μm。

实施例5

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉进行均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35％，余量为铝粉；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为10h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至600℃且保温2h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为99.1％，纯度为99.11％，粉末的平均粒径为1μm。

实施例6

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉进行均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35％，余量为铝粉；球磨的条件：转速为600rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至900℃且保温3h，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为97.9％，纯度为98.02％，粉末的平均粒径为5μm。

实施例7

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉进行均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35％，余量为铝粉；球磨的条件：转速为800rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至800℃且保温4h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为98.2％，纯度为98.19％，粉末的平均粒径为6μm。

实施例8

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉进行均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35％，余量为铝粉；球磨的条件：转速为1200rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至800℃且保温1.5h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为98.9％，纯度为98.89％，粉末的平均粒径为3μm。

实施例9

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉进行均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35％，余量为铝粉；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1a，球料比50：1，球磨时间为5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至800℃且保温4h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为98.0％，纯度为98.12％，粉末的平均粒径为5μm。

实施例10

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉按al-35％c质量百分比进行简单均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流2.5a，球料比50：1，球磨时间为5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至800℃且保温1h，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为98.98％，纯度为99.02％，粉末的平均粒径为3μm。

实施例11

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉按al-35％c质量百分比进行简单均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比20：1，球磨时间为5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至900℃且保温3h，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为97.8％，纯度为97.87％，粉末的平均粒径为6μm。

实施例12

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉按al-35％c质量百分比进行简单均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比30：1，球磨时间为5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至900℃且保温2h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为98.0％，纯度为98.03％，粉末的平均粒径为5μm。

实施例13

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉按al-25％c质量百分比进行简单均匀混合，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为6.5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至800℃且保温3h(混合粉末经等离子球磨后活性很高，碳化铝合成温度显著降低)，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为96.0％，纯度为98.63％，粉末的平均粒径为4μm。

实施例14

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法，包括以下步骤：

(1)将铝粉与石墨粉混合均匀，在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理)，得到球磨后的混合粉末；所述混合粉末中石墨粉的质量占比为30％，余量为铝粉；球磨的条件：转速为960rpm，放电电流1.5a，球料比50：1，球磨时间为5.5h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟；

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内，将坩埚放置于真空管式炉中，使用真空泵将炉管抽真空到10pa，随后通入氩气，重复一次后保持氩气在管式炉中流(流速为100ml/min)，以10℃/min升温速率将炉温升至800℃且保温3h，随后管式炉空冷，获得粉末。

本实施例最后所得产物中碳化铝的转化率为97.6％，纯度为98.93％，粉末的平均粒径为3μm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。