專利名稱：一種快速制備γ－氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備γ-氧氮化鋁陶瓷粉末的方法，該陶瓷粉末可適用于制備透明陶瓷部件。
背景技術(shù)：
γ-氧氮化鋁陶瓷(AlON)是Al2O3-AlN系統(tǒng)中具有立方尖晶石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定固溶體物相，因為其具有優(yōu)異的光學(xué)性能、介電性能和機械性能而備受關(guān)注。γ-AlON的機械性能與α-Al2O3相近，并且在1100℃下抗氧化性優(yōu)良，此外γ-AlON從近紫外、可見光到中紅外光區(qū)域具備良好的光學(xué)透明性。γ-AlON還能夠通過無壓燒結(jié)工藝制備出密實的寬頻透明材料，因而在商業(yè)和軍事領(lǐng)域均具有潛在的重要用途，例如可用于牙科矯正支架和套圈、高壓鈉蒸汽燈管的氣體密封套、超市掃描儀窗口、防刮透鏡、紅外傳感器的窗口和頭罩、透明裝甲、化工設(shè)備和高溫爐的檢測窗口等。
γ-AlON陶瓷的制備首先由Yamaguchi et.al.報道(“Study on the Reductive Spinel-A NewSpinel Formula AlN-Al2O3Instead of the Previous One Al3O4”Bull.Chem.Soc.Jpn.，32，(11)，Nov.，1959，pp.1264-65)，他們采用Al2O3與石墨在1650℃以上反應(yīng)獲得了γ-AlON物相。其后，Lejus等采用Al2O3與AlN的固相反應(yīng)合成了γ-AlON陶瓷，并對其組成和結(jié)構(gòu)進行了進一步的研究(“On the Formation of High Temperature Nonstochiometic Spinels and DerivativePhases，In Several Systems Based on Alumina and In the System Aluminum Nitride-Alumina”，Rev.Hates Temper.et Refract.，Ch.5，1，1964，pp.58-95)。后來，美國專利US.Pat.No.4,241,000報道了具有各向同性光學(xué)、熱和電性能單相立方AlON陶瓷的制備，制備方法為將冷等靜壓的Al2O3與AlN混合物坯體在1200℃下，N2氣中熱處理24小時后在1975℃下燒結(jié)1小時。上述研究中γ-AlON陶瓷的制備都是將固相反應(yīng)與燒結(jié)密實化結(jié)合起來一步完成的，但是其問題在于所獲燒結(jié)體密實度較低，因此材料的光學(xué)透明性能較差。已有研究表明，這一問題的有效解決方案是先制備高性能γ-AlON陶瓷粉末，然后對其進行燒結(jié)。由此可見，制備高純、微細、高燒結(jié)活性的γ-AlON陶瓷粉末是獲得高性能γ-AlON陶瓷燒結(jié)體的關(guān)鍵。
目前，已有很多有關(guān)γ-AlON陶瓷粉末制備方法的報道。Ishe-Shalom(Final Technical Report，Contract No.DAJA 48-84-009，1986，European Research Office of the US Army，London)和Rafaniello and Cutler[Am.Ceram.Soc.，64，C-128(1981)]描述了碳熱還原氮化Al2O3制備γ-AlON陶瓷粉末的方法，該方法是通過控制Al2O3的含量使過量的Al2O3與碳熱還原氮化生成的AlN反應(yīng)轉(zhuǎn)化為γ-AlON陶瓷粉末，但是這桿制得的γ-AlON陶瓷粉末由于有殘余碳的存在而呈灰色，因此不適于制備透明陶瓷。美國專利US Pat.No.4,686,070和英國專利GB2,150,219A報道了一種通過碳熱還原氮化非常純的γ-Al2O3以形成α-Al2O3和AlN，并進一步在1550～1850℃間熱處理2小時以上得到γ-AlON陶瓷粉末的方法，但是這樣獲得的陶瓷粉末團聚很嚴重，須球磨16h并過篩才能得到37μm以下的粉末。法國專利FR-2,556,711報道了采用超細、高純α-Al2O3和粒徑小于20μm的AlN粉末，熱處理后生成γ-AlON陶瓷粉末的方法，制備的粉末經(jīng)球磨后粒徑小于20μm，名義粒徑為6μm。美國US Pat.No.4,720,362和日本專利JP58,074,577A報道了采用30～37mol％高純AlN、63～70mol％高純α-Al2O3，在1600～1750℃間熱處理4小時后得到團聚的γ-AlON陶瓷粉末，球磨72h后獲得名義粒徑為1μm的粉末。日本專利JP1,128,001A報道了采用3μm高純AlN和1μm高純Al2O3混合粉末，在1800℃間熱處理4小時后得到團聚的γ-AlON陶瓷粉末，將該粉末粉碎后用于透明氧氮化鋁陶瓷的燒結(jié)制備。美國專利US Pat.No.5,688,730和中國專利CN1096021A報道了采用AlN、α-Al2O3和高比表面積γ-Al2O3或這種Al2O3的前驅(qū)體混合物，上述混合物在1700～1800℃下保溫17小時以形成γ-AlON陶瓷粉末，經(jīng)研磨后粉末的粒徑100％小于10μm。美國專利US Pat.No.6,955,798還報道了采用45～425μm Al粉、比表面積為82m2/g的γ-Al2O3與α-Al2O3粉的混合粉末，在氨氣下攪拌球磨機中球磨40h，然后在N2氣下高溫爐內(nèi)熱處理后獲得γ-AlON陶瓷粉末，但其粉體特性沒有報道。
眾所周知，γ-AlON陶瓷的燒結(jié)活性與粉末粒徑直接相關(guān)，燒結(jié)驅(qū)動力正比于1/r2，r代表粉末顆粒的半徑(Revue de Chimie Minerale，V22，1985，P.473～483)。因此獲取均勻、微細的γ-AlON陶瓷粉末是高效制備高性能γ-AlON陶瓷的基礎(chǔ)。然而，由以上分析可知，目前γ-AlON陶瓷粉末的制備方法中，均需要在1550～1850℃高溫下保溫幾個到十幾個小時以通過固相反應(yīng)形成單一的γ-AlON物相。由于在高溫下長時間的保溫，γ-AlON陶瓷粉末高度燒結(jié)且團聚嚴重，只能通過長時間(幾個到十幾個小時)球磨才能獲得較細的粉末。這樣，不僅在粉末合成與球磨過程中能耗很高而且球磨過程混入雜質(zhì)的含量很大，從而導(dǎo)致所制備的密實γ-AlON陶瓷光學(xué)性能等惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種快速制備γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，該方法制備速度快、效率高，所得到的γ-AlON透明陶瓷粉末粒徑均勻、細小。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種快速制備γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，其特征在于它包括如下步驟1)按氮化鋁粉末、α-Al2O3粉末所占混合物中摩爾百分比為氮化鋁粉末28～40％，α-Al2O3粉末60～72％選取氮化鋁粉末和α-Al2O3粉末，將氮化鋁粉末和α-Al2O3粉末混合，得混合物；2)將步驟1)的混合物干燥；3)將干燥后的混合物置入坩堝中，將坩堝置于石墨反應(yīng)器中，石墨反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中，石墨反應(yīng)器內(nèi)充有氮氣或含氮混合氣體，保持氣體壓力不小于0.1大氣壓(104Pa)；對石墨反應(yīng)器直接施加大電流，以50～500℃/min的升溫速度加熱到1600～1850℃，保溫時間為0～60分鐘，得γ-氧氮化鋁陶瓷粉末；5)將步驟4)所得到的γ-氧氮化鋁陶瓷粉末研磨，得產(chǎn)品。
所述的氮化鋁粉末的純度大于99wt％(質(zhì)量濃度)，平均粒徑小于或等于5μm，氮化鋁粉末中的氧含量低于1wt％，氮化鋁粉末所含金屬雜質(zhì)的濃度低于5000ppm。氮化鋁粉末的平均粒徑最好小于0.1μm。
所述的α-Al2O3粉末的純度大于99.9wt％(質(zhì)量濃度)，平均粒徑小于或等于5μm，所含金屬雜質(zhì)的濃度低于500ppm。α-Al2O3粉末的平均粒徑最好小于1μm。
步驟1)所述的混合可在任何種類的混合設(shè)備中進行足夠長的時間，以便得到均勻的混合物。例如在球磨機中混合時間可為1～24小時。上述混合可以采用干混或濕混工藝。濕混需使用不含水的有機溶劑，例如甲醇、無水乙醇、異丙醇或甲苯等。
步驟2)所述的混合物干燥一般在干燥氣體氣氛中進行，任何不與所述混合物在干燥溫度范圍內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體均可用做干燥氣體，例如氮氣、氬氣、氦氣、氙氣和空氣等，其中最好選擇空氣。干燥可在常壓或負壓下進行。干燥溫度一般不超過700℃，并需有足夠的時間以使所述的混合物完全干燥。
步驟3)所述的坩堝由高溫下與氮氣或含氮混合氣體、氮化鋁、氧化鋁不發(fā)生反應(yīng)并能夠承受高溫及熱沖擊的材料制成。例如，氮化硼或氮化鋁坩堝、或在內(nèi)壁涂覆有氮化硼或氮化鋁涂層的石墨、氧化鋁、碳化硅等坩堝。
所述的步驟4)以100～300℃/min的升溫速度加熱到1650～1750℃，保溫時間為5～30分鐘。
本發(fā)明的有益效果是1、將氮化鋁和α-Al2O3陶瓷粉末混合并干燥后，以很高的升溫速度(50～500℃/min)和很短的保溫時間(0～60分鐘)進行固相反應(yīng)并形成單相的γ-氧氮化鋁陶瓷粉末，該方法制備速度快、效率高。
2、單相的γ-氧氮化鋁陶瓷十分易于破碎，破碎后粉末粒徑均勻、細小。所得到的γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末通過x射線衍射分析為單一γ-AlON物相，100％的顆粒粒度小于5μm，平均粒徑小于2μm。
本發(fā)明制得的γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末特別適合于制備從近紫外、可見光到中紅外光區(qū)域透明的多晶γ-AlON透明陶瓷密實燒結(jié)體。


圖1為本發(fā)明實施例1-3中得到的γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的XRD譜圖，有3條譜線。實施例1譜線(a)；實施例2譜線(b)；實施例3譜線(c)。
圖2(a)為本發(fā)明實施例1中得到的γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的SEM照片。
圖2(b)為本發(fā)明實施例2中得到的γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的SEM照片。
圖2(c)為本發(fā)明實施例3中得到的γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的SEM照片。
具體實施例方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
實施例1以α-Al2O3粉(純度大于99.99wt％，平均粒徑為0.5μm)、AlN粉(純度大于99wt％，平均粒徑為0.05μm、比表面積大于78m2/g)的混合物為原料，其中α-Al2O3粉的摩爾含量為72％、AlN粉的摩爾含量為28％。在行星式球磨機上球磨混料10小時，無水乙醇為球磨介質(zhì)，高純Al2O3球為球磨球，Al2O3球∶料(α-Al2O3粉和AlN粉)∶無水乙醇質(zhì)量比＝2∶1∶3。將球磨后的混合物料真空下83～87℃干燥，過篩100目篩；取20g干燥的混合料放入圓形的內(nèi)壁涂覆有氮化硼的石墨坩堝中，坩堝內(nèi)徑為40mm，將坩堝置于石墨反應(yīng)器中，石墨反應(yīng)器內(nèi)徑為50mm。將石墨反應(yīng)器置入低電壓大電流反應(yīng)合成裝置(或稱低電壓大電流快速燒結(jié)爐)中，石墨反應(yīng)器內(nèi)保持氮分壓不小于0.5大氣壓(5×104Pa)的氮氣。對石墨反應(yīng)器直接施加大電流，使其以100℃/min的速度加熱到1650℃的最高溫度，并在該溫度下保持30分鐘后隨爐冷卻至室溫，獲得松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體。將粉末堆積體在瑪瑙研缽中研磨5分鐘得到γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末，采用XRD檢測其物相組成為單相γ-AlON，未發(fā)現(xiàn)殘留的α-Al2O3和AlN相(見圖1)，SEM分析顯示γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末顆粒直徑均小于5μm(見圖2(a))，平均粒徑為1.76±0.04μm(Zeta PALS激光粒度分布儀測定)。
實施例2以α-Al2O3粉(純度大于99.99wt％，平均粒徑為0.5μm)、AlN粉(純度大于99wt％，平均粒徑為0.05μm、比表面積大于78m2/g)的混合物為原料，其中α-Al2O3粉的摩爾含量為60％、AlN粉的摩爾含量為40％。在行星式球磨機上球磨混料10小時，無水乙醇為球磨介質(zhì)，高純Al2O3球為球磨球，Al2O3球∶料(α-Al2O3粉和AlN粉)∶無水乙醇質(zhì)量比＝2∶1∶3。將球磨后的混合物料真空下83～87℃干燥，過篩100目篩；取20g干燥的混合料放入圓形的內(nèi)壁涂覆有氮化硼的石墨坩堝中，坩堝內(nèi)徑為40mm，將坩堝置于石墨反應(yīng)器中，石墨反應(yīng)器內(nèi)徑為50mm。將石墨反應(yīng)器置入低電壓大電流反應(yīng)合成裝置中，石墨反應(yīng)器內(nèi)保持氮分壓不小于0.5大氣壓(5×104Pa)的氮氣。對石墨反應(yīng)器直接施加大電流，使其以300℃/min的速度加熱到1750℃的最高溫度，并在該溫度下保持5分鐘后隨爐冷卻至室溫，獲得松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體。將松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體在瑪瑙研缽中研磨5分鐘得到γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末，采用XRD檢測其物相組成為單相γ-AlON，未發(fā)現(xiàn)殘留的α-Al2O3和AlN相(見圖1)，SEM分析顯示γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末顆粒直徑均小于5μm(見圖2(b))，平均粒徑為1.12±0.04μm(Zeta PALS激光粒度分布儀測定)。
實施例3以α-Al2O3粉(純度大于99.99wt％，平均粒徑為0.5μm)、AlN粉(純度大于99wt％，平均粒徑為0.05μm、比表面積大于78m2/g)的混合物為原料，其中α-Al2O3粉的摩爾含量為66％、AlN粉的摩爾含量為34％。在行星式球磨機上球磨混料10小時，無水乙醇為球磨介質(zhì)，高純Al2O3球為球磨球，Al2O3球∶料(α-Al2O3粉和AlN粉)∶無水乙醇質(zhì)量比＝2∶1∶3。將球磨后的混合物料真空下83～87℃干燥，過篩100目篩；取20g干燥的混合料放入圓形的內(nèi)壁涂覆有氮化硼的石墨坩堝中，坩堝內(nèi)徑為40mm，將坩堝置于石墨反應(yīng)器中，石墨反應(yīng)器內(nèi)徑為50mm。將石墨反應(yīng)器置入低電壓大電流反應(yīng)合成裝置中，石墨反應(yīng)器內(nèi)保持氮分壓不小于0.5大氣壓(5×104Pa)的氮氣。對反應(yīng)器直接施加大電流，使其以100℃/min的速度加熱到1700℃的最高溫度，并在該溫度下保持10分鐘后隨爐冷卻至室溫，獲得松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體。將松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體在瑪瑙研缽中研磨5分鐘得到γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末，采用XRD檢測其物相組成為單相γ-AlON，未發(fā)現(xiàn)殘留的α-Al2O3和AlN相(見圖1)，SEM分析顯示γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末顆粒直徑均小于5μm(見圖2(c))，平均粒徑為1.48±0.1μm(Zeta PALS激光粒度分布儀測定)。
實施例4以α-Al2O3粉(純度為99.999wt％，平均粒徑為0.2μm)、AlN粉(純度為99.9wt％，平均粒徑為0.5μm)的混合物為原料，其中α-Al2O3粉的摩爾含量為68％、AlN粉的摩爾含量為32％；采用干混，將干混后的混合物料空氣下83～87℃干燥，混合料過篩100目篩。取20g混合料放入圓形的內(nèi)壁涂覆有氮化硼的石墨坩堝中，坩堝內(nèi)徑為40mm，將坩堝置于石墨反應(yīng)器中，石墨反應(yīng)器內(nèi)徑為50mm。將石墨反應(yīng)器置入低電壓大電流反應(yīng)合成裝置中，石墨反應(yīng)器內(nèi)保持氮分壓為0.1大氣壓(1×104Pa)的含氮混合氣體。對反應(yīng)器直接施加大電流，使其以500℃/min的速度加熱到1850℃的最高溫度，不保溫度隨爐冷卻至室溫，獲得松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體。將松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體在瑪瑙研缽中研磨6分鐘得到γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末。
實施例5以α-Al2O3粉(純度為99.999wt％，平均粒徑為0.1μm)、AlN粉(純度為99.9wt％，平均粒徑為0.1μm)的混合物為原料，其中α-Al2O3粉的摩爾含量為62％、AlN粉的摩爾含量為38％；采用干混，將干混后的混合物料空氣下83～87℃干燥，混合料過篩100目篩。取20g混合料放入圓形的內(nèi)壁涂覆有氮化硼的石墨坩堝中，坩堝內(nèi)徑為40mm，將坩堝置于石墨反應(yīng)器中，石墨反應(yīng)器內(nèi)徑為50mm。將石墨反應(yīng)器置入低電壓大電流反應(yīng)合成裝置中，石墨反應(yīng)器內(nèi)保持氮分壓為0.2大氣壓(2×104Pa)的含氮混合氣體。對反應(yīng)器直接施加大電流，使其以50℃/min的速度加熱到1600℃的最高溫度，并在該溫度下保持60分鐘后隨爐冷卻至室溫，獲得松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體。將松散的白色粉末輕微燒結(jié)堆積體在瑪瑙研缽中研磨7分鐘得到γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末。
權(quán)利要求
1.一種快速制備γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，其特征在于它包括如下步驟1)按氮化鋁粉末、α-Al2O3粉末所占混合物中摩爾百分比為氮化鋁粉末28～40％，α-Al2O3粉末60～72％選取氮化鋁粉末和α-Al2O3粉末，將氮化鋁粉末和α-Al2O3粉末混合，得混合物；2)將步驟1)的混合物干燥；3)將干燥后的混合物置入坩堝中，將坩堝置于石墨反應(yīng)器中，石墨反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中，石墨反應(yīng)器內(nèi)充有氮氣或含氮混合氣體，保持氣體壓力不小于0.1大氣壓；對石墨反應(yīng)器直接施加大電流，以50～500℃/min的升溫速度加熱到1600～1850℃，保溫時間為0～60分鐘，得γ-氧氮化鋁陶瓷粉末；5)將步驟4)所得到的γ-氧氮化鋁陶瓷粉末研磨，得產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，其特征在于所述的氮化鋁粉末的純度大于99wt％，平均粒徑小于或等于5μm，氮化鋁粉末中的氧含量低于1wt％，氮化鋁粉末所含金屬雜質(zhì)的濃度低于5000ppm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速制備γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，其特征在于氮化鋁粉末的平均粒徑小于0.1μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，其特征在于所述的α-Al2O3粉末的純度大于99.9wt％，平均粒徑小于或等于5μm，所含金屬雜質(zhì)的濃度低于500ppm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種快速制備γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，其特征在于α-Al2O3粉末的平均粒徑小于1μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備γ-氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，其特征在于所述的步驟4)以100～300℃/min的升溫速度加熱到1650～1750℃，保溫時間為5～30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備γ－氧氮化鋁陶瓷粉末的方法。一種快速制備γ－氧氮化鋁透明陶瓷粉末的方法，其特征在于它包括如下步驟1)按氮化鋁粉末、α－Al
文檔編號C04B35/10GK101045632SQ200710052019
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月28日
發(fā)明者王皓, 孟志民, 王玉成, 王為民, 傅正義, 張清杰 申請人:武漢理工大學(xué)