專利名稱：自蔓延高溫合成氮化鋁粉末的制備方法
技術領域：
本發明涉及氮化鋁粉末的制備方法，特別是用自蔓延高溫合成(SHS)制備氮化鋁粉末。屬于非氧化物超細粉末制備領域。
氮化鋁是一種新型高性能陶瓷材料，它具有導熱系數大、絕緣性好、高的機械強度、優良的抗氧化和熱沖擊性能，因而是極有發展前途的陶瓷材料之一。
氮化鋁粉末是制備氮化鋁(AlN)陶瓷的主要原料，欲制備性能優異的AlN陶瓷，則超細、高純氮化鋁粉末是關鍵。至今為止，AlN粉末的制備方法主要有(1)Al2O3的碳熱還原法；(2)Al粉的直接氮化法；(3)Al(C2H)和NH3的氣相反應法以及(4)自蔓延高溫合成法前三種工藝及其改進的方法能獲得超細、高純的AlN粉，但共同缺點是生產過程需要消耗較多的能源。
自蔓延高溫合成(SHS)法是60年代中期新開發的一種新制備方法。具有工藝簡單、能耗低、產品純度高、投資少等優點。日本海田義也等人發明的“氮化物的制造方法”(昭64-76906)是將液氮和混和物(原料元素粉末和最終產物)，通過局部加熱(點火)，使點火處附近的液氮立即氣化，同時氮與原料元素粉末(如Al粉和AlN粉系統)反應生成氮化物(如AlN)其生成熱加熱鄰近的原料粉末和液氮使反應不斷自動蔓延直至反應完全，可獲得較高的轉換率，防止組成偏析。但該方法的缺點有二個一是原料在反應前無法進行真空預處理；二是反應過程中難于通過氣化排除雜質以純化產物，液氮利用率低，成本較高。
宮本欽生等人發明的“氮化鋁粉末及其粉末組成物的制造方法”(平1-264914)是將金屬Al和AlN粉混合物先壓成Φ11×15mm的園片，然后在加壓的氮氣和惰性氣體(He，Ne，Ar，Kr等)中自蔓延高溫合成(SHS)制備高質量AlN粉末，惰性氣體的加入是減緩燃燒速度，防止金屬Al熔化，凝聚成塊而使氮化率下降，同時可使生成的AlN粉粒徑變細而均勻。該方法的缺點也有二個一是壓塊手續繁復，更重要的缺點是反應氣體(N2)中加入一定量惰性氣體，本意是減緩燃燒速度，但往往隨反應物量增加，氮氣大量消耗，添加的惰性氣體相對量增加，使局部地區氮氣供應不足，很容易造成熄火，或影響產品質量，或使自蔓延反應無法進行到底。
本發明的目的在于利用自蔓延合成方法，改變其工藝參數，提供一種簡便、節能、高效的制備氮化鋁粉末的方法。
首先，本發明采用的主要原料為金屬Al粉和AlN粉末。前者顆粒度為5-80μm，范圍較寬，含氧量只須＜1wt％，從而可有效降低成本；后者顆粒度0.3-3μm；其次，以高壓氮氣(5-15MPa)或高壓氮氣和液氮，為氮化提供充分的原料；第三，以銨鹽(NH4Cl和NH4F)、AlF3，或兩者的混合物為稀釋劑減緩燃燒速度，降低燃燒溫度。具體制備方法是將金屬Al粉、AlN粉按一定比例(兩者比例可以是9∶1，8∶2或1∶1)混和后與銨鹽(NH4Cl＋NH4F)或AlF3(或它們的混和物)稀釋劑混和，稀釋劑的加入量為金屬鋁粉和氮化鋁粉重量的2-8wt％，松裝于多孔的鋁箔(直立環簡或盤狀)容器中，使反應物與外界耐火的石墨襯隔離以減少石墨污染，然后在高壓容器中經點火自蔓延合成，冷卻后即可生成所需的AlN粉。
本發明提供的高壓容器和一般SHS方法中提供的相仿，無需特殊要求，僅僅是反應物和稀釋劑是安放在鋁箔制的盤狀或直立環筒，它們的形狀圖分別如
圖1-1，1-2所示。圖中1為鎢絲發熱體，2為點火劑，3為反應物，4為多孔鋁箔容器。
自蔓延合成后或自然冷卻或處于熱態時注入液氮快速冷卻。
很顯然，本發明通過工藝改進，克服了上述二個專利存在的缺點，而且具有以下幾個優點(1)不必將反應混和物先壓成塊；(2)液態氮可先裝于固定容器中，注入高壓容器時可按需要量而定，這樣既可滿足氮化要求而又可控制生成物的晶粒在冷卻過程中的生長；(3)外加的稀釋劑既有利于減緩反應速度而又可減少整個反應體系的氧含量和其它雜質含量。
下面通過實施例進一步闡明發明實質性進步和本發明的創新點。
實施例1采用金屬鋁粉(鋁含量＞99％，氧含量0.52wt％，碳含量0.16wt％，平均顆粒度75μm和氮化鋁粉(顆粒度為0.5～3μm)，按重量比為9∶1混和，外加4wt％的AlNNH4Cl和NH4F，兩者重量比為1∶1(即NH4Cl∶NH4F＝1∶1)，經均勻混和后，松裝于Φ60×Φ10×60mm的環狀筒(多孔鋁箔制)盛器中(松裝密度為1.4g/cm3)并置于圖1-2所示的高壓容器中，抽真空后充入9-10MPa的高壓氮氣(純度99.99％)，經點火后自蔓延反應自然冷卻后即得AlN粉末，經測定制得AlN粉末的氮含量為32.97wt％，氧含量為0.20wt％，C為0.14wt％，平均粒徑為1.7μm。
實施例2按Al∶AlN＝8∶2(重量比)混和，再加外6wt％的NH4Cl＋NH4F的銨鹽(NH4F的NH4Cl的重量比為1∶1)混合均勻裝入環狀多孔鋁箔筒中，松裝比為1.2g/cm3，然后放入高壓容器中進行自蔓延合成，氮氣壓力為12-15MPa，其余條件包括原料純度和粒徑均同實施例1。
按本實施例制備的AlN粉末的性能列于表1。
實施例3按Al∶AlN＝1∶1(重量)配料使用鋁粉粒徑為10μm，外加2wt％AF3和2wt％(銨鹽(NH4Cl＝NH4F＝1∶1)混和后松裝密度為1.3g/cm3裝于多孔鋁箔制的盤狀(200×400mm)容器中(圖1-1)，其余條件同實施例1。制備的AlN粉末的主要性能也列于表1。
實施例4采用鋁粉(鋁含量＞99％，氧含量0.8wt％，碳含量0.17wt％，平均粒徑35.5μm，氮化鋁粉(0.5～3μm)，以1∶1重量比配料，外加8wt％AlF3混和后置于盤狀容器中(松裝密度為1.2g/cm3)，厚度30～40mm，在5～6MPa氮氣中進行自蔓延反應，燃燒反應開始后，通入液氮快速冷卻，其余條件同實施例1，AlN粉的主要性能列于表1。
表1本發明制備的AlN粉的主要性能
權利要求
1.一種自蔓延高溫合成制備氮化鋁粉末的方法，包括金屬鋁粉和氮化鋁按一定比例配料、混和、加入稀釋劑，高壓氮氣，其特征在于(1)按Al∶AlN＝1～10∶1～2比例配料然后與固體稀釋劑均勻混和后，以粉末形式以一定松裝密度裝入多孔鋁箔制的直立環狀簡或盤狀容器，然后裝入高壓容器自蔓延高溫合成；(2)固體稀釋劑為銨鹽(NH4F∶NH4Cl＝1∶1)或AlF3，或它們的混合物，加入量為金屬鋁粉和氮化鋁粉重量的2～10wt％；(3)反應的高壓氮氣為5～15MPa或高壓氮氣與液氮的混合物；(4)自蔓延高溫合成后或自然冷卻或處于熱態時注入液氮快速冷卻。
2.按權利要求1所述的氮化鋁粉末制備方法，其特征在于所述的金屬鋁粉平均粒度為5～80μm，氮化鋁的粒經范圍為0.5～3μm。
3.按權利要求1所述的氮化鋁粉末制備方法，其特征在于金屬鋁粉和AlN粉及稀釋劑的混和物松裝于多孔鋁箔制的直立環狀或盤狀，容器的松裝密度為1.1～1.5g/cm3。
4.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于(1)Al∶AlN＝9∶1(重量比)；(2)固體稀釋劑為銨鹽，加入量為4wt％，其中NH4Cl∶NH4F＝1∶1(重量比)；(3)經混和后粉末松裝于多孔鋁箔制的環狀筒，松裝密度為1.4g/cm3；(4)反應的高壓氮氣壓力為9～10MPa；(5)自蔓延高溫合成后自然冷卻。
5.按權利要求1所述的氮化鋁粉末的制備方法，其特征在于(1)Al∶AlN＝8∶2(重量比)；(2)銨鹽為固體稀釋劑，其加入量為6wt％(NH4Cl∶NH4F＝1∶1)；(3)經混和后粉末松裝于多孔鋁箔制的環狀筒，松裝密度為1.2g/cm3；(4)反應的高壓氮氣壓力為12～15MPa；(5)自蔓延高溫合成后自然冷卻。
6.按權利要求1所述的氮化鋁粉末的制備方法，其特征在于(1)Al∶AlN＝1∶1(重量比)；(2)AlF3，加入量為2wt％；銨鹽(NH4Cl∶NH4F＝1∶1，加入量為2wt％；(3)經混和后粉末松裝于多孔鋁箔制的盤狀容器，松裝密度為1.3g/cm3；
7.按權利要求1所述的氮化鋁粉末制備方法，其特征在于(1)Al∶AlN＝1∶1(重量比)；(2)固體稀釋劑加入量為8wt％AlF3；(3)混和后粉末松裝于盤狀容器，松裝密度1.2g/cm3；(4)高壓氮氣壓力為5～6MPa；(5)自蔓延高溫合成后即通入液態快速冷卻。
全文摘要
一種自蔓延高溫合成氮化鋁粉末的制備方法，屬于非氧化物超細粉末制備領域。本發明是由金屬Al和氮化鋁粉按1～10∶1～2的比例混和，加入稀釋劑并通以5～15MPa氮氣或高壓氮氣與液態混合物。固體稀釋劑為銨鹽(NH
文檔編號C04B35/581GK1142477SQ95111719
公開日1997年2月12日 申請日期1995年8月4日 優先權日1995年8月4日
發明者莊漢銳, 張寶林, 李文蘭 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所