一種高純AlON透明陶瓷粉體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷材料粉體合成與制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高純Y -AlON透明陶瓷粉體的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]Y-AlON透明陶瓷是一種結(jié)構(gòu)與功能一體化的新材料，它具有低的質(zhì)量/強(qiáng)度比值、與藍(lán)寶石接近的力學(xué)性能、各向同性的光學(xué)性能、寬的電磁波透過(guò)范圍(0.2?
6.5 μ m)、優(yōu)異的介電性能以及強(qiáng)的抗輻照性能等優(yōu)勢(shì)，可用于紅外窗口、天線罩、探測(cè)器光學(xué)窗口、輕質(zhì)高強(qiáng)防彈裝甲、半導(dǎo)體掃描窗口、口腔醫(yī)學(xué)等方面，近年來(lái)已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
[0003]Y -AlON透明陶瓷粉體合成技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一，當(dāng)前報(bào)道的主要合成方法有:碳熱還原法(如專利US.Pat.4481300)、傳統(tǒng)固相法(如專利 US.Pat.4520116、US.Pat.5688730)、鋁熱還原法(如專利 US Pat.2005/0118086、CN101928150),等等。其中碳熱還原法原料成本低，是迄今唯一獲得批量生產(chǎn)應(yīng)用的工藝方法。國(guó)內(nèi)外在碳熱還原法方面進(jìn)行了大量的研究報(bào)道，主要有:美國(guó) Raytheon 公司(專利 US Pat.4686070)> 荷蘭的 Willems 等人(J.Eu.Ceram.Soc.，10 (1992)327-337)、瑞典 Stockholm 大學(xué)(J.Eu.Ceram.Soc.15(1995)，1087)、中科院王士維等人(稀有金屬材料與工程，38 (2009): 403-406)、北京人工晶體研究院(Adv.Mater.Res.，105-106(2010):791-793)、四川大學(xué)盧鐵城等人(稀有金屬材料與工程，36 (2007):156-158)、上海玻璃鋼研究院(專利CN101928145)，等等。這些方法的主要特點(diǎn)是:合成溫度高或保溫時(shí)間長(zhǎng)，造成粉體團(tuán)聚嚴(yán)重、活性低，為了進(jìn)一步用于透明陶瓷制備，需引入高能球磨破碎，可獲得粒度I?4μπι以下的粉體，但難免引入雜質(zhì)，不利于高純Y-AlON粉體的獲得。
[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外在碳熱還原法方面進(jìn)行了一些工藝優(yōu)化或改進(jìn)，據(jù)報(bào)道主要有:美國(guó)Raytheon公司、中科院上娃所、上海大學(xué)等。2002年，Raytheon公司(專利WO02/06156A1)采用噴霧干燥對(duì)納米原料粉體進(jìn)行快速干燥，有效抑制了水性體系處理的原料的團(tuán)聚，再采用旋轉(zhuǎn)氮化技術(shù)，可在較短時(shí)間內(nèi)合成高純Y -A10N粉體，成為世界上唯一實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)Y-A10N粉體的批量化合成的單位。高品質(zhì)的粉體的特點(diǎn)在于:純度高、顆粒度細(xì)(通常在I?2 μ m以下)、分散性好、成分均勻性好。2012年，Raytheon公司將該合成技術(shù)轉(zhuǎn)讓給Surmet公司(見(jiàn)專利US 8211356B1)，使后者成為迄今唯一能夠規(guī)?；a(chǎn)Y-A10N透明陶瓷材料的公司。低成本、高品質(zhì)的粉體制備技術(shù)是限制該材料應(yīng)用的瓶頸之一。旋轉(zhuǎn)氮化技術(shù)雖然獲得了成功，但是難度大，尤其是對(duì)粉體合成設(shè)備要求極為苛刻，迄今為止，據(jù)報(bào)道世界范圍內(nèi)也僅有Raytheon、Surmet公司掌握。國(guó)內(nèi)在碳熱還原法工藝改進(jìn)或優(yōu)化方面，主要思路是采用有機(jī)前驅(qū)體方法，比如，中科院上硅所王士維等人(J.Am.Ceram.Soc.，93 (2010): 22-24)采用Y -Al2O3和葡萄糖為原料，獲得前驅(qū)體，通過(guò)嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，1750°C保溫4h合成的粉體經(jīng)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(專利CN 102557087A)報(bào)道了一種采用熱固性樹(shù)脂為碳源，通過(guò)在Y _AI2O3顆粒表面進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，可以顯著提高熱解C與Y-Al2O3顆粒的接觸面積和混合均勻度，抑制C熱還原過(guò)程中Y-Al2O3顆粒間的局部燒結(jié)和匯聚長(zhǎng)大，從而降低了 Y-AlON粉體的制備溫度及其顆粒尺寸和團(tuán)聚度，可制備出粒度在I μ m以下、燒結(jié)活性高的Y -AlON粉體。上海大學(xué)施鷹等人(專利CN102180675)以硝酸鋁和尿素、納米炭黑為原料，以碳酸氫銨和氨水為沉淀劑，經(jīng)沉淀反應(yīng)得到前驅(qū)體，經(jīng)1750°C保溫2?4h，可獲得純相Y -AlON粉體，顆粒尺寸I?4 μ m?？偠灾?，采用有機(jī)前驅(qū)體方法，可有效抑制納米原料粉體的團(tuán)聚和提高原料混合均勻度，可制備出可合成顆粒細(xì)、活性高的Y-AlON粉體，但工藝技術(shù)成熟度不高，一致性難以保證，因而研究進(jìn)展相對(duì)較慢。
[0005]冷凍干燥技術(shù)在生物、制藥、納米粉體等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用，是一種制取高活性粉體的新技術(shù)，其特點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)是，可在較低溫度下將溶液中的溶劑凝固，然后以升華方式使之揮發(fā)，避免了表面張力較大的液體分子(如水分子)汽化過(guò)程所引起的強(qiáng)毛細(xì)收縮作用或團(tuán)聚行為，因而可保持物料原始微觀形貌，制得高活性物料。
[0006]因此，若能充分利用冷凍干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)納米原料粉體的分散性進(jìn)行優(yōu)化，再結(jié)合傳統(tǒng)的碳熱還原法，將是制備高品質(zhì)Y-AlON粉體的一條可行途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高純Y -AlON粉體的制備方法，將冷凍干燥技術(shù)與碳熱還原法相結(jié)合，從而有效抑制高活性納米原料粉體的團(tuán)聚，而且不需引入高能球磨。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0009]一種高純AlON透明陶瓷粉體的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)原料稱取:
[0011]以C、Al2O為原料，按照質(zhì)量百分含量為:C含量4.5?6.5wt %、Y-Al2O3含量93.5?95.5wt%，分別稱量原料，備用；
[0012](2)預(yù)混液配制:
[0013]將步驟(I)中的原料分別加入至純水中，通過(guò)以下方式中的一種進(jìn)行分散:磁力攪拌、滾筒球磨；在分散劑的作用下，分別配制出C預(yù)混液、Y-Al2O3預(yù)混液；制得的預(yù)混液中，原料占溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?15wt% ；
[0014]所述的分散劑為分子量6000的乙二醇、分子量1000的聚丙烯酸,形態(tài)為液體,添加量為粉體質(zhì)量的0.5?1wt% ；
[0015]通過(guò)磁力攪拌方式進(jìn)行分散時(shí)，攪拌速度為500?800r/m,攪拌時(shí)間為3?6h ;
[0016]通過(guò)滾筒球磨方式進(jìn)行分散時(shí)，以耐磨氧化鋁或氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為4:1?12:1，球磨轉(zhuǎn)速為60?90r/m,球磨時(shí)間為10?36h ；
[0017](3)漿料制備:
[0018]將步驟(2)所得的兩種預(yù)混液混合后，通過(guò)滾筒球磨處理，獲得漿料；
[0019]滾筒球磨工藝為:以耐磨氧化鋁或氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球料比為4:1?12:1，球磨轉(zhuǎn)速為60?90r/m,球磨時(shí)間為10?36h ；
[0020](4)冷凍干燥；將步驟(3)所得的漿料通過(guò)冷凍干燥使水分升華，處理工藝為:將漿料置入冷凍干燥機(jī)中，以I?:TC /min的降溫速率將漿料從室溫降至-20?_40°C，保溫一定時(shí)間1.5?3.5h，再抽真空至5?20Pa，然后以0.5?2°C /min的升溫速率，升至10?35°C保溫一定時(shí)間5.0?10.0h，獲得粉料；
[0021](5)低溫煅燒；將步驟(4)獲得的粉體，置于馬弗爐中，爐內(nèi)氣氛為以下氣體中的一種:空氣、氮?dú)狻鍤?；?00?800°C的溫度下煅燒3?5h后，所得粉體置于瑪瑙研缽中研磨5?1min,得混合粉體；
[0022](6)高溫反應(yīng)合成；將步驟(5)獲得的混合粉體，置于環(huán)形多孔的坩堝中，坩堝材料為以下材料中的一種:氮化硼、氧化鋁、石墨；再將坩堝放入高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，通入流動(dòng)氮?dú)鈿夥?，??15°C /min的升溫速率，先升至1450?1650°C，使得混合粉體轉(zhuǎn)變?yōu)锳lN/Ct-Al2O3，再升溫至1700?1800°C保溫0.5?2h，然后自然冷卻，得Y-AlON透明陶瓷粉體。
[0023]進(jìn)一步的，如上所述的一種高純AlON透明陶瓷粉體的制備方法，步驟(I)中，原料C為活性C粉，純度彡99.75%，粒徑為10?lOOnm。
[0024]進(jìn)一步的，如上所述的一種高純AlON透明陶瓷粉體的制備方法，步驟(I)中，原料所述的Al2O3為以下材料:Y -Al 203粉或者Y -Al 203粉的前驅(qū)體；采用Y -Al 203粉的前驅(qū)體時(shí)，步驟(I)稱量原料和步驟(2)預(yù)混液配制時(shí)按照前驅(qū)體中Al2O3名義含量計(jì)算。
[0025]進(jìn)一步的，如上所述的一種高純AlON透明陶瓷粉體的制備方法，步驟(I)中，原料所述的Al2O3為Y -Al 203粉，Y -Al 203粉的純度彡99.9%,粒徑為20?10nm0
[0026]進(jìn)一步的，如上所述的一種高純AlON透明陶瓷粉體的制備方法，步驟(2)和步驟
(3)中，滾筒球磨工藝為:球料比為5:1?8:1，球磨時(shí)間為16?24h。
[0027]進(jìn)一步的，如上所述的一種高