透明氮氧化铝(AlON)陶瓷的低温制备方法技术

本发明专利技术涉及透明氮氧化铝(AlON)陶瓷的低温制备方法。该方法由硝酸铝溶液和悬浮有碳颗粒的碳酸铵溶液通过化学共沉淀反应制备碳酸铝铵/炭（AACH/C）前驱体，再在流动氮气气氛下通过碳热还原氮化反应合成AlON粉体，成型后在烧结助剂的帮助下氮气气氛下无压烧结得到AlON透明陶瓷。本发明专利技术采用无压烧结方法可在在较低的烧结温度和较短的保温时间下就得到了AlON透明陶瓷，相对密度达到理论密度的99%以上，2mm厚的样品透过率达到60%左右，性能优良，适合用作高温窗口材料和罩体材料，且生产成本较低，对生产设备的要求相对较低，适合工业化推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种透明氮氧化铝(AlON)陶瓷的制备方法，特别是一种透明氮氧化铝(AlON)陶瓷的低温制备方法。
技术介绍
尖晶石型氮氧化铝（γ-AlON）是A12O3-AlN二元系统中一个重要的各向同性固溶体陶瓷材料。透明AlON陶瓷不仅具有良好的物理、化学和机械性质，而且具有良好的透光性能，其透光范围从紫外波段到红外波段（波长0.2 μm～6.0 μm），最高透过率可达80%以上，是各类高温红外窗、双模天线罩和防弹装甲材料的优选材料。此外，它还可以应用于各种透红外的镜头材料、挡风玻璃、观察窗和高性能耐火材料等场合。制备化学组成稳定、烧结活性高的多晶AlON粉体并实现透明致密化烧结是这一材料走向应用的基础。目前AlON粉体制备方法主要有两种：高温固相反应法和氧化铝还原氮化法。其中，高温固相反应法要求以高纯超细的Al2O3和AlN粉体为起始粉体，而高纯AlN粉体价格昂贵，且容易引起粉体团聚或混合不均匀，严重影响材料的透光性，因此不易产业化。氧化铝还原氮化法能在较低成本下合成均匀小颗粒尺寸的单相AlON粉体，再经高温烧结获得透明陶瓷，适合工业化生产。但需严格控制反应中Al2O3与C的化学计量比及反应温度、气氛等因素。在烧结致密化方面，传统的无压烧结和热压（热等静压）烧结是实现高透过率AlON陶瓷规模化制备的主要方法。热压或者热等静压烧结工艺需要在烧结过程中施加一定的压力，促使物料流动、重排与致密化，有利于透明陶瓷的烧结，但对设备要求高，成本大，限制了产品的形状。无压烧结可以低成本大量生产各种尺寸和形状的产品，但一般需要很高的烧结温度和很长的烧结时间且较难获得高致密的透明陶瓷，因此获得粒径小烧结活性高的多晶AlON粉体并加入合适的烧结助剂促进致密化，是无压烧结制备AlON透明陶瓷的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种透明氮氧化铝(AlON)陶瓷的低温制备方法。该方法基于湿化学环境下的共沉淀方法制备了碳酸铝铵/碳（AACH/C）前驱体，结合碳热还原氮化反应合成粒径小、烧结活性高的多晶AlON陶瓷粉体，随后在氮气气氛下无压烧结获得具有良好光学透过率的AlON透明陶瓷。为了实现上述目的，本专利技术依据的机理是：先由硝酸铝溶液和悬浮有碳颗粒的碳酸铵溶液通过化学共沉淀反应制备碳酸铝铵/炭（AACH/C）前驱体，再在流动氮气气氛下通过碳热还原氮化反应合成AlON粉体，成型后在烧结助剂的帮助下氮气气氛下无压烧结得到AlON透明陶瓷。所述的化学沉淀反应如下所示：Al(NO3)3+2(NH4)2CO3+H2O=NH4Al(OH)2CO3+3NH4NO3+CO2所述的前驱体分别发生如下分解反应：2NH4AlO(OH)HCO3 →Al2O3 +2CO2+2NH3+3H2O一种透明氮氧化铝陶瓷的低温制备方法，其特征在于首先基于湿化学环境下的共沉淀方法制备碳酸铝铵/碳前驱体，然后通过碳热还原氮化反应合成氮氧化铝多晶粉体，再在惰性气氛下烧结制备透明氮氧化铝陶瓷。上述的碳酸铝铵/炭前驱体的制备方法为：a. 配制浓度1.5～4mol/L的碳酸铵（(NH4)2CO3）溶液，加入碳酸铵中碳质量的2～4倍的硬脂酸，70～100℃搅拌至硬脂酸完全溶解，再按mC/(mC+mAl2O3)= 5.3～6.2wt%比例加入碳源，搅拌得碳颗粒均匀分散的碳酸铵溶液,其中mC为碳颗粒质量；mAl2O3为碳酸铝铵分解后Al2O3的质量；b. 将Al(NO3)3·9H2O、聚乙二醇（PEG）和尿素按100：（8～12）：（10～20）的质量比溶于蒸馏水中搅拌配制成硝酸铝的浓度为0.2～1mol/L的溶液；c. 在0～50℃，将步骤b所得硝酸铝溶液缓慢的滴加到步骤a所得碳酸铵溶液中，并控制碳酸铵和硝酸铝的物质的量之比为2～3；滴定结束后，调节溶液pH值在9～10；将沉淀抽滤，经水洗、乙醇洗涤、干燥，取出研磨过70～100目筛，得碳酸铝铵/碳前驱体。上述的氮氧化铝多晶粉体的合成方法为：a. 在惰性气氛保护下，将碳酸铝铵/碳前驱体在400～800℃，保温0.5～2h，再在1200～1500℃下，保温0.5～2h，最终在1600～1750℃下保温2～8h，随炉冷却至室温后得到AlON粉体；将该AlON粉体在500～800℃空气中恒温6～12h进行脱碳处理，再研磨，过200目筛，得到亚微米级单相AlON陶瓷粉体。上述的透明氮氧化铝陶瓷的烧结方法为：a. 将AlON陶瓷粉体、Y2O3、La2O3和MgO按100：0～0.08、0～0.02：0～0.8的质量比混合，以无水乙醇为球磨介质，按5:1的球料比放入Al2O3球磨子，球磨混合30min，粉体浆料烘干后再研磨过200目筛，最终得到平均粒度在1μm以下的AlON粉体；c. 将步骤a所得粉体，先在5～20MPa下干压成型，再在100～300MPa下进行冷等静压；然后放入AlON粉体进行埋粉处理后，在流动惰性气氛中升温至1850～1950℃，保温4～24h；最后随炉冷却至室温，即得到烧结完成的AlON透明陶瓷。上述碳源为炭黑或纳米竹炭粉，其平均粒度分别为18nm和200nm。本专利技术的有益效果是：1、湿化学法能有效改善铝源与碳粉的混合特性，实现碳源和铝源的均匀分散，前驱体颗粒分散性好，反应活性高，前驱体中碳酸铝铵分解产生的NH3、CO2等气体有利于降低粉体的团聚性，在较低的温度下合成烧结性能更好，粒径更小的单相AlON陶瓷粉体（粒径范围为0.1～10μm），经球磨后粉体粒径范围为0.1～5μm（中位粒径为0.5～0.8μm）。2、本专利技术采用无压烧结方法可在在较低的烧结温度和较短的保温时间下就得到了AlON透明陶瓷，相对密度达到理论密度的99%以上，2mm厚的样品透过率达到60%左右，性能优良，适合用作高温窗口材料和罩体材料，且生产成本较低，对生产设备的要求相对较低，适合工业化推广。附图说明图1为实施例1中得到的前驱体样品的XRD谱图（a）和1700℃保温4h得到的多晶AlON粉体样品的XRD谱图（b）。图2为实施例1中合成的多晶AlON粉体的扫描电镜照片。图3为实施例1中合成的多晶AlON粉体的粒径分布图。图4为实施例1中合成的AlON粉体经进一步球磨后的粉体的扫描电镜照片。图5为实施例1中合成的AlON粉体粒径分布图。图6为实施例1中烧结助剂为0.08wt%Y2O3+0.02wt%La2O3+0.2wt%MgO，经1900℃保温12h后得到的陶瓷样品的实物照片图7为实施例1中烧结助剂为0.08wt%Y2O3+0.02wt%La2O3+0.2wt%MgO，经1900℃保温12h后得到的陶瓷样品的透过率曲线。图8为实施例1中烧结助剂为0.08wt%Y2O3+0.02wt%La2O3+0.5wt%MgO，经1900℃保温12h后得到的陶瓷样品的实物照片图9为实施例1中烧结助剂为0.08wt%Y2O3+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明氮氧化铝陶瓷的低温制备方法，其特征在于首先基于湿化学环境下的共沉淀方法制备碳酸铝铵/碳前驱体，然后通过碳热还原氮化反应合成氮氧化铝多晶粉体，再在惰性气氛下烧结制备透明氮氧化铝陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种透明氮氧化铝陶瓷的低温制备方法，其特征在于首先基于湿化学环境下的共沉淀方法制备碳酸铝铵/碳前驱体，然后通过碳热还原氮化反应合成氮氧化铝多晶粉体，再在惰性气氛下烧结制备透明氮氧化铝陶瓷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的碳酸铝铵/炭前驱体的制备方法为：
a. 配制浓度1.5～4mol/L的碳酸铵（(NH4)2CO3）溶液，加入碳酸铵中碳质量的2～4倍的硬脂酸，70～100℃搅拌至硬脂酸完全溶解，再按mC/(mC+mAl2O3)= 5.3～6.2wt%比例加入碳源，搅拌得碳颗粒均匀分散的碳酸铵溶液,其中mC为碳颗粒质量；mAl2O3为碳酸铝铵分解后Al2O3的质量；
b. 将Al(NO3)3·9H2O、聚乙二醇（PEG）和尿素按100：（8～12）：（10～20）的质量比溶于蒸馏水中搅拌配制成硝酸铝的浓度为0.2～1mol/L的溶液；
c. 在0～50℃，将步骤b所得硝酸铝溶液缓慢的滴加到步骤a所得碳酸铵溶液中，并控制碳酸铵和硝酸铝的物质的量之比为1：（2～3）；滴定结束后，调节溶液pH值在9～10；将沉淀抽滤，经水洗、乙醇洗涤、干燥，取出研磨过70～100目筛，得碳酸铝铵/碳前驱体。
3.根据权利要求1方法，其特征在于所述的氮氧化铝多...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷景轩，施鹰，马飞中，谢建军，雷芳，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31