一种利用富铝合金制备α-Al₂O₃粉末的工艺方法

专利名称：一种利用富铝合金制备α-Al₂O₃粉末的工艺方法
技术领域：
本发明涉及功能材料领域，特别提供了一种利用富铝合金制备α -Al2O3粉末的工艺方法。
背景技术：
氧化铝具有强度高、硬度高、热膨胀系数小、耐腐蚀和耐磨损等性能，是迄今工业中用量最大的陶瓷材料之一。当氧化铝粉体颗粒粗大、纯度低，它主要用于制备结构陶瓷； 当氧化铝粉体的颗粒细小、纯度高时，该材料应用于多个新型材料领域，如催化剂载体、精细陶瓷、集成电路基板、复合材料、荧光材料、传感器等。关于氧化铝粉体的制备技术主要有气相法、液相法两种。目前较经济的方法是以工业氢氧化铝为原料的直接煅烧法。一般是将用热水和蒸馏水洗涤数次的工业氢氧化铝经真空抽滤烘干后，加入一定量的晶种和相变添加剂共磨一定时间，在电热干燥箱中烘干，然后置于氧化炉中在一定温度下煅烧1 2h。所制粉体经后处理，可得到粒径分布较窄、二次粒度为几百纳米三氧化二铝纳米粉。该方法所制备氧化物的缺点是纯度低、含有铁和钛等杂质。气相法是直接利用气体或等离子体、激光蒸发、电子束加热、电弧加热等方式将物质变成气体，然后在冷却过程中凝聚长大形成超细微粉。其优点是反应条件易控制。用该方法制备的三氧化二铝颗粒分散性好、粒径小、分散窄；缺点是产率低，粉末的收集较难。液相法，如溶胶一凝胶法合成的纳米氧化铝粉体具有粒度分布窄、纯度高、形貌规整等优点。虽然该法合成温度低、操作简单且不需要昂贵设备，但需要控制溶胶凝胶的参数较多，包括溶液的PH值、溶液浓度、反应温度和时间等。另外，为了制备纯度高的超细粉， 需要对对原料进行蒸馏或再结晶，以达到对前驱体的提纯的目的。除此之外，该法还有有机原料成本高、有机溶剂毒性大和操作时间过长等不足之处。利用铝水解的产物氢氧化铝粉于氧化炉中在一定温度下煅烧可直接制得α -Al2O3 粉末，显然是一种比较简单制备α -Al2O3粉末的方法。但是由于纯Al粉的水解操控性差，初级粉末氢氧化铝的颗粒度较大，所以很难得到颗粒分布均勻、粒度细小的三氧化二铝粉末。 此外，纯Al粉的水解效率低、原料的成本高也限制了该方法的应用。

发明内容
本发明的目的在于提供一种利用富铝合金制备α -Al2O3粉末的工艺方法，具体为利用富铝合金水解来获取氢氧化铝粉，然后再利用氢氧化铝粉来制备α -Al2O3粉末的崭新工艺方法，以解决以往制备α-Al2O3粉末方法中存在的水解操控性差、效率低、原料的成本高、 含有杂质的缺点。为了克服以上缺点，本发明提供了一种利用富铝合金制备α-Al2O3粉末的工艺方法，其特征在于具体的制备步骤如下，
—将Al、Ga、In、Sn四元富铝合金进行水解制备氢氧化铝初级粉； ——提取氢氧化铝初级粉中的金属Ga、In、Sn，得到纯净的氢氧化铝粉；
3——在氧化炉中煅烧上述纯净的氢氧化铝粉，最终得到α -Al2O3粉末。其中，所述Al、Ga、h、Sn四元富铝合金包含Al固溶体和GaIn3Sn两相；且具体的化学式为Alx (GEiJnvSrOh,其中，Al的重量百分比x为70% 95%，低熔点金属feuIruSn的重量百分比u:V:W=6:3:l，选用该配比的富铝合金主要为了在Al晶界上形成大量的弥散分布的低熔点GaIn3Sn相；
而相熔点只有约11°C，即在室温条件下为液体，该相对于Al的水解反应至关重要，主要有以下作用=(I)GaIn3Sn相包覆在Al晶粒上可有效阻止Al的氧化；(2)被包覆的Al利用为介质与水持续反应，并且这部分Al的表面始终新鲜；(3)GaIn3Sn 相能促进未被覆盖的Al与水持续反应，使得Al晶粒上形成的氧化膜疏松，与Al表面接合较弱。Al的成分对合金水解的产物氢氧化铝粉的颗粒度及分布有影响。Al的成分小，则氢氧化铝粉的颗粒尺度和分布变大。所述水解的反应温度为3(T40°C，如果水解反应温度小于30°C，则合金的水解速度慢，生产效率低；如果水解反应温度大于40°C，则反应产物氢氧化铝粉的颗粒粗大及分布广，均不利于α-Al2O3粉末的制备。氢氧化铝初级粉中的Ga、In、Sn金属可以通过真空加热法提取。本发明提供的利用富铝合金制备α -Al2O3粉末的工艺方法，由于富铝合金的水解操控性好、效率高、原料的成本低，而且添加的合金元素可回收，另外水解得到的氢氧化铝初级粉末颗粒度细小、颗粒分布均勻，因此该方法是一种可行的及适合大规模生产的制备 α -Al2O3粉末方法，而且使用该方法制得的α -Al2O3粉末纯度高、尺度细小、粒度分布窄，此外本工艺方法具有操作简单，成本低廉等优点。


图1为富铝合金的X射线分析图2为富铝合金水解后得到的氢氧化铝粉的X射线分析图； 图3为富铝合金在30°C水解得到的氢氧化铝粉的微观形貌图； 图4为30°C水解得到氢氧化铝粉于氧化炉中在1250°C下煅烧1小时得到的氧化铝粉的X射线分析图5为30°C水解得到氢氧化铝粉于氧化炉中在1250°C下煅烧1小时得到的氧化铝粉的微观形貌图6为富铝合金在60°C水解得到的氢氧化铝粉的微观形貌图。
具体实施例方式实施例1
按合金的质量比Al94 (Gh6InuSna6)6准确称取各金属，采用25 Kg真空感应炉熔炼合金，真空度在10，10_3Pa。采用电磁搅拌技术搅拌液态合金半小时左右。在氩气保护气氛下，将液态合金浇铸到水冷铜模具中凝固，冷却速率控制在10广103°C /s。合金锭子的直径小于8cm，以保证合金的晶粒度细小及相的分布均勻，X-射线分析结果表明该富铝合金由Al和GaIn3Sn两相组成，见图1。称取2g上述合金样品，放入自来水中反应，反应温度用水浴控制在30°C，得到反应产物为白色的氢氧化铝粉。烘干后，对该氢氧化铝粉进行的X-射线分析结果表明得到的氢氧化铝粉由拜耳石、勃姆石组成，见图2。同时该氢氧化铝粉的显微形貌照片显示水解温度为30°C时，氢氧化铝粉的颗粒均勻，尺度为200nm左右，见图3。将上述氢氧化铝粉在真空下于500°C加热二小时以收集产物中的feuIruSn金属。将处理后的氢氧化铝粉放入氧化炉中，于1250°C煅烧得到产物。通过产物的X-射线分析结果表明煅烧得到粉末为α-Al2O3， 见图4;其颗粒在200 nm左右，见图5。实施例2
按合金Al7tl (Gii3. Jn1.8SnQ.6)3Q的重量比称取Al、Ga、In、Sn四种金属，放入不锈钢坩埚中，然后再放入真空炉中。在通入氮保护气氛下，于700°C加热10小时。将熔化的合金及不锈钢坩埚一同放入矿物油中淬火。称取5g上述Al、Ga、In、Sn四元富铝合金，其具体的化学式为，将上述富铝合金在40oC下进行水解制得氢氧化铝初级粉；真空下于500°C加热二小时氢氧化铝初级粉收集产物中的Ga、In、Sn金属，然后将处理后的氢氧化铝粉放入氧化炉中，于1250°C煅烧得到 α -Al2O3粉末产物，但得到的α -Al2O3粉末颗粒为几个微米。实施例3
称取4g包含Al固溶体和^Jn3Sn两相的Al、Ga、In、Sn四元富铝合金，其具体的化学式为Al95 (Ga3^iL5SnaJ5，将上述富铝合金在35°C下进行水解制得氢氧化铝初级粉；真空下于500°C加热二小时氢氧化铝初级粉收集产物中的feuIruSn金属，然后将处理后的氢氧化铝粉放入氧化炉中，于1250°C煅烧得到α-Al2O3粉末产物，得到的α-Al2O3粉末颗粒为一个微米以上。对比例1
称取2 g富铝合金，具体化学式为Al94 (Gh6InuSna6)6，将其放入自来水中水解，反应温度用水浴控制在60°C制得氢氧化铝初级粉；真空下于500°C加热二小时氢氧化铝初级粉收集产物中的fe、In、Sn金属，然后将处理后的氢氧化铝粉放入氧化炉中，于1250°C煅烧得到α-Al2O3粉末产物，显微形貌分析该α-Al2O3粉末产物表明其氢氧化铝粉的颗粒度粗大， 在几个到十几个微米范围且分布较广，见图6。对比例2
称取2 g富铝合金，具体化学式为Al65 (Gii2Jnia5Sn3J35，将其放入自来水中水解，反应温度用水浴控制在40°C制得氢氧化铝初级粉；真空下于500°C加热二小时氢氧化铝初级粉收集产物中的fe、In、Sn金属，然后将处理后的氢氧化铝粉放入氧化炉中，于1250°C煅烧得到α-Al2O3粉末产物，α-Al2O3粉末的颗粒度在一到十微米范围分布。对比例3
称取2 g富铝合金，具体化学式为Al96(G^6In1..8S%.6)4，将其放入自来水中水解，反应温度用水浴控制在25°C制得氢氧化铝初级粉；真空下于500°C加热二小时氢氧化铝初级粉收集产物中的fe、In、Sn金属，然后将处理后的氢氧化铝粉放入氧化炉中，于1250°C煅烧得到α-Al2O3粉末产物。虽然α-Al2O3粉末的颗粒度为几百纳米左右，但合金的水解时间延长了二倍以上。
权利要求
1.一种利用富铝合金制备a-Al203粉末的工艺方法，其特征在于具体的制备步骤如下，—将Al、Ga、In、Sn四元富铝合金进行水解制备氢氧化铝初级粉； ——提取氢氧化铝初级粉中的金属Ga、In、Sn,得到处理后的氢氧化铝粉； ——在氧化炉中煅烧上述处理后的氢氧化铝粉，最终得到B-Al2O3粉末。
2.按照权利要求1所述利用富铝合金制备a_Al203粉末的工艺方法，其特征在于所述 Al、feu In、Sn四元富铝合金包含Al固溶体和GaIn3Sn两相。
3.按照权利要求1所述利用富铝合金制备a_Al203粉末的工艺方法，其特征在于所述Al、Ga、In、Sn四元富铝合金的化学式为Alx(GEtlJnvSnw)㈠，其中，Al的重量百分比χ为 70% 95%，低熔点金属Ga、In、Sn的重量百分比u ν w=6 3 1。
4.按照权利要求1所述利用富铝合金制备a_Al203粉末的工艺方法，其特征在于使用真空加热法提取氢氧化铝初级粉中的金属Ga、In、Sn。
5.按照权利要求1所述利用富铝合金制备a_Al203粉末的工艺方法，其特征在于所述水解的反应温度为3(T40°C。
全文摘要
一种利用富铝合金制备a-Al2O3粉末的工艺方法，其特征在于具体的制备步骤如下，将Al、Ga、In、Sn四元富铝合金进行水解制备氢氧化铝初级粉；提取氢氧化铝初级粉中的金属Ga、In、Sn，得到纯净的氢氧化铝粉；在氧化炉中煅烧上述纯净的氢氧化铝粉，最终得到a-Al2O3粉末，得到的氢氧化铝初级粉末颗粒度细小、颗粒分布均匀，因此该方法是一种可行的及适合大规模生产的制备a-Al2O3粉末方法，而且使用该方法制得的a-Al2O3粉末纯度高、尺度细小、粒度分布窄，此外本工艺方法具有操作简单，成本低廉等优点。
文档编号C01F7/42GK102557095SQ20101058503
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者杨柯, 汪伟, 陈德敏 申请人:中国科学院金属研究所