AlON粉體的合成

第38卷增刊:稀有金屬材料與工程Vol.38, Suppl.22009年12 月RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERINGDecember 2009AION粉體的合成趙小軍，茹紅強',張寧2， 孫有政2(1.東北大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)10004)(2.沈陽(yáng)大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)10044)摘要: 以a-Al2O3和AIN為原料，利用高溫固相反應在氮氣氣氛下常壓合成了AION粉體。研究了成分配比、合成溫度、保溫時(shí)間對合成AION粉體含量的影響,并通過(guò)熱分析測試了合成過(guò)程熱流和質(zhì)量的變化。結果表明，當原料Al2O3和AIN的質(zhì)量比為81:18、合成工藝為1750 C,2h時(shí)，得到AION相的含量達到95%以上。關(guān)鍵詞: AION; 固相反應;合成中圖法分類(lèi)號: TQ174文獻標識碼: A文章編號: 1002-185X(2009)S2-0078-04尖晶石型氧氮化鋁(AION)是以Al2O3-AIN體系存溫度的變化情況。在的一個(gè)重要單相，是一種比較穩定的固溶體陶2結果及分析瓷[2。AION陶瓷材料以獨特的性能成為頗具潛力的新材料3)，它不僅具有良好的耐高溫性、熱震穩定性2.1 原料配比對AION生成量的影響和耐氧化性能，是一種理想的高溫結構陶瓷和近代耐根據相圖，在1750 C可以形成穩定存在的AION火材料。同時(shí)，由于高純、致密的AION材料具有良相的范圍內取了3種不同的原料成分配比，具體的原好的透光性，且由于其具有光學(xué)各向同性，在0.2~ 0.8料配比如表1所示。在各種成分配比中都加入了1%μm光波波段最高理論透過(guò)率可達80%以上，只要注的Al粉，起還原劑的作用。意控制晶界的組織結構和殘余氣孔4，AION透明陶瓷還是耐高溫紅外窗口和頭罩的優(yōu)選材料之一(5-7]。表1 不同種類(lèi)原料的配料組成目前，AION陶瓷在材料領(lǐng)域已受到了廣泛關(guān)Table 1 Compositions of mistures with different starting注[8-10。但是AION的合成機理還有待研究，至今仍material (w/%)未找到適宜的AION制備工藝參數1)。由于成本、工Numbera-Al2O3A藝和技術(shù)等方面的原因，我國距工業(yè)生產(chǎn)AION還有8l8相當距離[12]。本研究采用Al2O3 和AIN為原料合成29AION粉,通過(guò)測試AION相的生成含量探索AION的C34合成工藝，并通過(guò)熱分析測試在合成過(guò)程中的熱流和熱重的變化情況。對不同原料配比合成的AION粉體進(jìn)行物相分析，結果如圖1所示。不同原料配比下合成AION相1實(shí)驗的相對含量見(jiàn)圖2.由圖1和圖2可以發(fā)現Al2O3含量.使用的原料有Al2O3、AIN及Al粉。按照原料配對產(chǎn)物的相組成有著(zhù)重要的影響。各種配比的原料合比稱(chēng)取各粉末后，以無(wú)水乙醇為溶劑，加入剛玉磨球成后都有大量AION相生成，說(shuō)明Al2O3和AIN在這濕磨24h后，再將得到的漿料進(jìn)行干燥，獲得混合粉個(gè)溫度下已經(jīng)發(fā)生了固相反應，但是實(shí)驗還發(fā)現除了末，最后將混合粉末放入石墨坩堝中置于真空碳管燒AION相以外，都還有AIN相。隨著(zhù)Al2O3含量的增結爐中在設定的工藝參數下在氮氣氣氛下合成AION加，未反應完全的AIN相含量逐漸減少，其XRD衍粉體，并通過(guò)XRD分析合成粉體的相組成。射峰強度逐漸減弱，生成的AION相含量逐漸增加。稱(chēng)取少量球磨并干燥后的混合粉末放入剛玉坩堝.當Al2O3含量達到81%時(shí)，AION的生成量可以達到置于熱分析儀中加熱到1550 C，測量熱流及熱重隨95%以上，基本上可以認為只有AION相存在。AION中國煤化工收稿日期: 2009-06-22基金項目:國家自然科學(xué)基金(50672060)及遼寧省基金項目(05L265, 20052002YHCNMHG作者簡(jiǎn)介:趙小軍，男，1983 年生，博士,東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)10004,電話(huà): 024-83680248, E-mail: zhaoxiajun1314@163.co增刊2趙小軍等: AION 粉體的合成●79.的表達式為Al23O2zNs， 用兩種原料可以表示為相:當溫度繼續升高，在1800 C時(shí)，生成的AION相9Al2O35AIN，此時(shí)與實(shí)驗的結果相吻合。含量明顯降低，AIN含量增加，這可能是部分AION另外，從圖1中還發(fā)現在合成的AION粉體中都發(fā)生分解造成的結果。含有少量的AIN,這是由于原料是在以石墨為加熱體的爐中進(jìn)行合成，由于A(yíng)l2O3在高溫、還原氣氛(CO、C)中能夠和N發(fā)生反應生成AIN13,14。 另外，提供8北i止......還原氣氛的部分Al粉和N在高溫下也能生成AIN,●AIN.所以最后殘留極少量的AIN屬于正?，F象?！鯝LO,1750 ,C il●AON1700 CA.it出讓1地么堅208010020/0B_一1圖3不同溫度下合成AION粉的XRD圖譜Fig. 3 XRD patterns of AION power at dfferet temperatureC_。4080100-20/(0)80-圖1不同原料配比合 成AION粉體的XRD圖50Fig.1 XRD patterns of sample with different composition00-20-17001750180060Temperature, T/C圖4不同合成溫度下AION的生成量圖Fig.4 Content of AION product at diferent temperature657081從圖3和圖4還可以看出,1750C時(shí)生成的AIONContent ofALOJ%衍射鋒最強，其含量最多，達到95%以上，故該溫度圖2不同AlO3含量下AION的生成量圖為合成AION粉體的最佳溫度。當低于該溫度的時(shí)候，Fig.2 Content of AION product with dfferent content of Al2O3反應未進(jìn)行或者反應不完全:當高于該溫度的時(shí)候，部分已生成的AION相發(fā)生分解，AION相含量降低,2.2合成溫度對AION生成量的影響AIN相含量明顯增加。這是因為AION相部分發(fā)生分選擇a-Al2O3 和AIN為原料，升溫速率為10解生成了AIN,但是Al2O3 含量沒(méi)有明顯增大，這可C/mnin，保溫時(shí)間2h, 氮氣氣氛下合成AION粉體。能是由于分解后的Al2O3是以Al和Al2O氣體的形式溫度分別設置為1700，1750， 1800 C.而隨氣流逸出。另外在高溫下還發(fā)現極少量的AlgO3N,對在不同合成溫度下合成的粉體進(jìn)行XRD物相相，可能這是AION相分解后的殘留相，有待進(jìn)- -步分析，結果如圖3所示。在不同的合成溫度下生成研究和證實(shí)。AION相的相對含量如圖4所示。由圖3可知,在17002.3中國煤化工響C時(shí)，有部分AION相生成，但是反應不夠完全，同MHC NMH G,取升溫速率為10時(shí)還有大量的Al2O3和AIN存在。在1750 C時(shí),基本氣氛下合成AION .上完全反應,主要都是AION相,還殘留極少量的AIN粉體。研究選擇1.5, 2, 2.5 b等不同保溫時(shí)間對AION●80.稀有金屬材料與工程第38卷生成量的影響。不同保溫時(shí)間下合成的AION粉體的XRD物相分50p0.4析結果如圖5所示，圖6為AION相的生成量隨保溫of時(shí)間變化的變化情況。.00.0302of-0.42.5h，證1t 5 1...10---0.●AION▲AIN. ALOn04400800 1200 1600”01心9遲Temperature, IT/'C1.sh, : ;論圖7不同溫度下的熱流和質(zhì)量變化曲線(xiàn)2040 6080 100Fig7 Heat flow and the TG curve of the sample at diferent20/0temperature圖5不同保溫時(shí)間下 燒結樣品的XRD圖譜Fig. 5 XRD patterns for dfferent holding time由圖7中熱流的變化曲線(xiàn)發(fā)現在100 C左右有1個(gè)吸熱峰，這是由于物料里殘留的水分等揮發(fā)引起的:100F在660 C左右有1個(gè)很小的吸熱峰，這是由于物料中? 80少量的Al粉熔化造成的;在1350 C左右有1個(gè)明顯的放熱峰，這是因為在該溫度下，物料里少量的呈6(r-Al2O3向a-Al2O3 發(fā)生晶形轉變引起的。此外，在升溫的過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)現其他的吸熱或者放熱峰，于是’ 20也可以肯定在低于1550C以下Al2O3和AIN還未發(fā)生固相反應。1.2.02.5由圖7中質(zhì)量的變化曲線(xiàn)發(fā)現在1000C以前物Time, t/h料的質(zhì)量出現逐漸減少的現象，但當溫度高于1000圖6不同保溫時(shí)間下 AION的生成量圖C以后，質(zhì)量基本保持不變。由熱流變化曲線(xiàn)沒(méi)有發(fā)Fig.6 Content of AION product for diferent bolding time現有化學(xué)反應，所以失重均為物理反應現象引起的。在開(kāi)始階段，隨著(zhù)溫度的升高樣品開(kāi)始失重的原因是由圖5可以看出，當保溫時(shí)間為1.5h時(shí),生成了因為水和有機物的揮發(fā)。由于混料的時(shí)候粉料都是置部分AION相，同時(shí)還有大量的Al2O3和AIN存在，.于無(wú)水乙醇介質(zhì)中進(jìn)行濕磨的，取出后雖然經(jīng)過(guò)干燥，所以合成還未反應完全;保溫時(shí)間為2 h時(shí)，主要含但是由于溫度不是很高，所以會(huì )有少量殘余，一般這有AION相，還殘留少量AIN相，可以認為反應基本種有機物在200 C左右才開(kāi)始揮發(fā)，300 C以上才揮.完全;保溫時(shí)間為2.5h時(shí)，AION 相含量出現降低的發(fā)完全。另外，由于經(jīng)過(guò)干燥后的粉料中還含有- -定現象。在合成過(guò)程中適當的降低合成溫度，通過(guò)- -定量的吸附水，物理吸附水在350 C以下基本蒸發(fā)完全，.的保溫保壓時(shí)間以完成固相反應。但是過(guò)長(cháng)的保溫時(shí)如以Al2O3-xH2O或AI(OH)3形式存在的化學(xué)吸附水，間，易引起粉體顆粒的長(cháng)大，降低粉體的燒結性能。它們則需要在更高的溫度下才可以發(fā)生分解:此外，隨著(zhù)保溫時(shí)間的增加，AION生成量先增加后降低,.在500-600C下，部分粉末表面的氧化膜和提供還原在保溫2 h后AION粉體中AION相的比例最高、殘氣氛的鋁粉發(fā)生反應: Al2O3+Al- →Al2O,生成揮發(fā)性留反應物的量最低，說(shuō)明合成AION相的最佳保溫時(shí)低價(jià)氧化物['s,這也會(huì )引起失重。間為2h.3結論2.4 熱分析中國煤化工_為了研究物料在升溫的過(guò)程中(熱分析儀器中將二示,用Al2O3和AIN其升溫至1550C)熱流及變化情況，實(shí)驗稱(chēng)取少量已為 原.HHCNMHG成AION粉體?；旌玫姆哿线M(jìn)行熱分析，其TG-DTA曲線(xiàn)如圖7所示。Al2O;:AIN 的最佳成分配比為81:18，最佳合成工藝為增刊2趙小軍等: AION 粉體的合成.81●1750 C下保溫2 h,由熱分析發(fā)現在1550 C以下物[9] Graham E K, Munly W C. 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The resuts sbowed that when the mass ratio of Al2O3 to AIN was up to 81:18, sintering temperature keptat 1750 C and theholding time lasted 2 h, the content of AION phase in the power synthesized could reach over 95%.Key words: AION; solid state reaction; synthesisBiography: Zhao Xiaojun, Ph. D, Material and Metallurgy College of Northeasterm University, Shenyang 10004, P. R. China, Tel:0086-24-83680248, E-mail: zhaoxiaojun1314@163.com中國煤化工MYHCNMHG