一种高纯AlON透明陶瓷粉体的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于陶瓷材料粉体合成与制备技术领域，具体涉及一种高纯Y -AlON透明陶瓷粉体的制备。
【背景技术】
[0002]Y-AlON透明陶瓷是一种结构与功能一体化的新材料，它具有低的质量/强度比值、与蓝宝石接近的力学性能、各向同性的光学性能、宽的电磁波透过范围(0.2?
6.5 μ m)、优异的介电性能以及强的抗辐照性能等优势，可用于红外窗口、天线罩、探测器光学窗口、轻质高强防弹装甲、半导体扫描窗口、口腔医学等方面，近年来已成为国内外的研究热点。
[0003]Y -AlON透明陶瓷粉体合成技术是当前国内外研究的热点之一，当前报道的主要合成方法有:碳热还原法(如专利US.Pat.4481300)、传统固相法(如专利 US.Pat.4520116、US.Pat.5688730)、铝热还原法(如专利 US Pat.2005/0118086、CN101928150),等等。其中碳热还原法原料成本低，是迄今唯一获得批量生产应用的工艺方法。国内外在碳热还原法方面进行了大量的研究报道，主要有:美国 Raytheon 公司(专利 US Pat.4686070)> 荷兰的 Willems 等人(J.Eu.Ceram.Soc.，10 (1992)327-337)、瑞典 Stockholm 大学(J.Eu.Ceram.Soc.15(1995)，1087)、中科院王士维等人(稀有金属材料与工程，38 (2009): 403-406)、北京人工晶体研究院(Adv.Mater.Res.，105-106(2010):791-793)、四川大学卢铁城等人(稀有金属材料与工程，36 (2007):156-158)、上海玻璃钢研究院(专利CN101928145)，等等。这些方法的主要特点是:合成温度高或保温时间长，造成粉体团聚严重、活性低，为了进一步用于透明陶瓷制备，需引入高能球磨破碎，可获得粒度I?4μπι以下的粉体，但难免引入杂质，不利于高纯Y-AlON粉体的获得。
[0004]针对上述问题，国内外在碳热还原法方面进行了一些工艺优化或改进，据报道主要有:美国Raytheon公司、中科院上娃所、上海大学等。2002年，Raytheon公司(专利WO02/06156A1)采用喷雾干燥对纳米原料粉体进行快速干燥，有效抑制了水性体系处理的原料的团聚，再采用旋转氮化技术，可在较短时间内合成高纯Y -A10N粉体，成为世界上唯一实现了高品质Y-A10N粉体的批量化合成的单位。高品质的粉体的特点在于:纯度高、颗粒度细(通常在I?2 μ m以下)、分散性好、成分均勻性好。2012年，Raytheon公司将该合成技术转让给Surmet公司(见专利US 8211356B1)，使后者成为迄今唯一能够规模化生产Y-A10N透明陶瓷材料的公司。低成本、高品质的粉体制备技术是限制该材料应用的瓶颈之一。旋转氮化技术虽然获得了成功，但是难度大，尤其是对粉体合成设备要求极为苛刻，迄今为止，据报道世界范围内也仅有Raytheon、Surmet公司掌握。国内在碳热还原法工艺改进或优化方面，主要思路是采用有机前驱体方法，比如，中科院上硅所王士维等人(J.Am.Ceram.Soc.，93 (2010): 22-24)采用Y -Al2O3和葡萄糖为原料，获得前驱体，通过严格控制工艺参数，1750°C保温4h合成的粉体经球磨后，粒度可控制在I?2 μ m左右。中科院上硅所高濂等人(专利CN 102557087A)报道了一种采用热固性树脂为碳源，通过在Y _AI2O3颗粒表面进行原位聚合反应，可以显著提高热解C与Y-Al2O3颗粒的接触面积和混合均匀度，抑制C热还原过程中Y-Al2O3颗粒间的局部烧结和汇聚长大，从而降低了 Y-AlON粉体的制备温度及其颗粒尺寸和团聚度，可制备出粒度在I μ m以下、烧结活性高的Y -AlON粉体。上海大学施鹰等人(专利CN102180675)以硝酸铝和尿素、纳米炭黑为原料，以碳酸氢铵和氨水为沉淀剂，经沉淀反应得到前驱体，经1750°C保温2?4h，可获得纯相Y -AlON粉体，颗粒尺寸I?4 μ m。总而言之，采用有机前驱体方法，可有效抑制纳米原料粉体的团聚和提高原料混合均匀度，可制备出可合成颗粒细、活性高的Y-AlON粉体，但工艺技术成熟度不高，一致性难以保证，因而研究进展相对较慢。
[0005]冷冻干燥技术在生物、制药、纳米粉体等行业取得了广泛的应用，是一种制取高活性粉体的新技术，其特点或优势是，可在较低温度下将溶液中的溶剂凝固，然后以升华方式使之挥发，避免了表面张力较大的液体分子(如水分子)汽化过程所引起的强毛细收缩作用或团聚行为，因而可保持物料原始微观形貌，制得高活性物料。
[0006]因此，若能充分利用冷冻干燥技术的优点，对纳米原料粉体的分散性进行优化，再结合传统的碳热还原法，将是制备高品质Y-AlON粉体的一条可行途径。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种高纯Y -AlON粉体的制备方法，将冷冻干燥技术与碳热还原法相结合，从而有效抑制高活性纳米原料粉体的团聚，而且不需引入高能球磨。
[0008]为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是:
[0009]一种高纯AlON透明陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤:
[0010](I)原料称取:
[0011]以C、Al2O为原料，按照质量百分含量为:C含量4.5?6.5wt %、Y-Al2O3含量93.5?95.5wt%，分别称量原料，备用；
[0012](2)预混液配制:
[0013]将步骤(I)中的原料分别加入至纯水中，通过以下方式中的一种进行分散:磁力搅拌、滚筒球磨；在分散剂的作用下，分别配制出C预混液、Y-Al2O3预混液；制得的预混液中，原料占溶液的质量分数为5?15wt% ；
[0014]所述的分散剂为分子量6000的乙二醇、分子量1000的聚丙烯酸,形态为液体,添加量为粉体质量的0.5?1wt% ；
[0015]通过磁力搅拌方式进行分散时，搅拌速度为500?800r/m,搅拌时间为3?6h ;
[0016]通过滚筒球磨方式进行分散时，以耐磨氧化铝或氧化锆球为球磨介质，球料比为4:1?12:1，球磨转速为60?90r/m,球磨时间为10?36h ；
[0017](3)浆料制备:
[0018]将步骤(2)所得的两种预混液混合后，通过滚筒球磨处理，获得浆料；
[0019]滚筒球磨工艺为:以耐磨氧化铝或氧化锆球为球磨介质，球料比为4:1?12:1，球磨转速为60?90r/m,球磨时间为10?36h ；
[0020](4)冷冻干燥；将步骤(3)所得的浆料通过冷冻干燥使水分升华，处理工艺为:将浆料置入冷冻干燥机中，以I?:TC /min的降温速率将浆料从室温降至-20?_40°C，保温一定时间1.5?3.5h，再抽真空至5?20Pa，然后以0.5?2°C /min的升温速率，升至10?35°C保温一定时间5.0?10.0h，获得粉料；
[0021](5)低温煅烧；将步骤(4)获得的粉体，置于马弗炉中，炉内气氛为以下气体中的一种:空气、氮气、氩气；在200?800°C的温度下煅烧3?5h后，所得粉体置于玛瑙研钵中研磨5?1min,得混合粉体；
[0022](6)高温反应合成；将步骤(5)获得的混合粉体，置于环形多孔的坩埚中，坩埚材料为以下材料中的一种:氮化硼、氧化铝、石墨；再将坩埚放入高温烧结炉内，通入流动氮气气氛，以5?15°C /min的升温速率，先升至1450?1650°C，使得混合粉体转变为AlN/Ct-Al2O3，再升温至1700?1800°C保温0.5?2h，然后自然冷却，得Y-AlON透明陶瓷粉体。
[0023]进一步的，如上所述的一种高纯AlON透明陶瓷粉体的制备方法，步骤(I)中，原料C为活性C粉，纯度彡99.75%，粒径为10?lOOnm。
[0024]进一步的，如上所述的一种高纯AlON透明陶瓷粉体的制备方法，步骤(I)中，原料所述的Al2O3为以下材料:Y -Al 203粉或者Y -Al 203粉的前驱体；采用Y -Al 203粉的前驱体时，步骤(I)称量原料和步骤(2)预混液配制时按照前驱体中Al2O3名义含量计算。
[0025]进一步的，如上所述的一种高纯AlON透明陶瓷粉体的制备方法，步骤(I)中，原料所述的Al2O3为Y -Al 203粉，Y -Al 203粉的纯度彡99.9%,粒径为20?10nm0
[0026]进一步的，如上所述的一种高纯AlON透明陶瓷粉体的制备方法，步骤(2)和步骤
(3)中，滚筒球磨工艺为:球料比为5:1?8:1，球磨时间为16?24h。
[0027]进一步的，如上所述的一种高