一種高純AlON透明陶瓷粉體的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于陶瓷材料粉體合成與制備技術領域，具體涉及一種高純Y -AlON透明陶瓷粉體的制備。
【背景技術】
[0002]Y-AlON透明陶瓷是一種結構與功能一體化的新材料，它具有低的質量/強度比值、與藍寶石接近的力學性能、各向同性的光學性能、寬的電磁波透過范圍(0.2?
6.5 μ m)、優異的介電性能以及強的抗輻照性能等優勢，可用于紅外窗口、天線罩、探測器光學窗口、輕質高強防彈裝甲、半導體掃描窗口、口腔醫學等方面，近年來已成為國內外的研究熱點。
[0003]Y -AlON透明陶瓷粉體合成技術是當前國內外研究的熱點之一，當前報道的主要合成方法有:碳熱還原法(如專利US.Pat.4481300)、傳統固相法(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應用的工藝方法。國內外在碳熱還原法方面進行了大量的研究報道，主要有:美國 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(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是:合成溫度高或保溫時間長，造成粉體團聚嚴重、活性低，為了進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，不利于高純Y-AlON粉體的獲得。
[0004]針對上述問題，國內外在碳熱還原法方面進行了一些工藝優化或改進，據報道主要有:美國Raytheon公司、中科院上娃所、上海大學等。2002年，Raytheon公司(專利WO02/06156A1)采用噴霧干燥對納米原料粉體進行快速干燥，有效抑制了水性體系處理的原料的團聚，再采用旋轉氮化技術，可在較短時間內合成高純Y -A10N粉體，成為世界上唯一實現了高品質Y-A10N粉體的批量化合成的單位。高品質的粉體的特點在于:純度高、顆粒度細(通常在I?2 μ m以下)、分散性好、成分均勻性好。2012年，Raytheon公司將該合成技術轉讓給Surmet公司(見專利US 8211356B1)，使后者成為迄今唯一能夠規模化生產Y-A10N透明陶瓷材料的公司。低成本、高品質的粉體制備技術是限制該材料應用的瓶頸之一。旋轉氮化技術雖然獲得了成功，但是難度大，尤其是對粉體合成設備要求極為苛刻，迄今為止，據報道世界范圍內也僅有Raytheon、Surmet公司掌握。國內在碳熱還原法工藝改進或優化方面，主要思路是采用有機前驅體方法，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，獲得前驅體，通過嚴格控制工藝參數，1750°C保溫4h合成的粉體經球磨后，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)報道了一種采用熱固性樹脂為碳源，通過在Y _AI2O3顆粒表面進行原位聚合反應，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熱還原過程中Y-Al2O3顆粒間的局部燒結和匯聚長大，從而降低了 Y-AlON粉體的制備溫度及其顆粒尺寸和團聚度，可制備出粒度在I μ m以下、燒結活性高的Y -AlON粉體。上海大學施鷹等人(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，經沉淀反應得到前驅體，經1750°C保溫2?4h，可獲得純相Y -AlON粉體，顆粒尺寸I?4 μ m。總而言之，采用有機前驅體方法，可有效抑制納米原料粉體的團聚和提高原料混合均勻度，可制備出可合成顆粒細、活性高的Y-AlON粉體，但工藝技術成熟度不高，一致性難以保證，因而研究進展相對較慢。
[0005]冷凍干燥技術在生物、制藥、納米粉體等行業取得了廣泛的應用，是一種制取高活性粉體的新技術，其特點或優勢是，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，避免了表面張力較大的液體分子(如水分子)汽化過程所引起的強毛細收縮作用或團聚行為，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的優點，對納米原料粉體的分散性進行優化，再結合傳統的碳熱還原法，將是制備高品質Y-AlON粉體的一條可行途徑。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題是提供一種高純Y -AlON粉體的制備方法，將冷凍干燥技術與碳熱還原法相結合，從而有效抑制高活性納米原料粉體的團聚，而且不需引入高能球磨。
[0008]為了實現這一目的，本發明采取的技術方案是:
[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)預混液配制:
[0013]將步驟(I)中的原料分別加入至純水中，通過以下方式中的一種進行分散:磁力攪拌、滾筒球磨；在分散劑的作用下，分別配制出C預混液、Y-Al2O3預混液；制得的預混液中，原料占溶液的質量分數為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,形態為液體,添加量為粉體質量的0.5?1wt% ；
[0015]通過磁力攪拌方式進行分散時，攪拌速度為500?800r/m,攪拌時間為3?6h ;
[0016]通過滾筒球磨方式進行分散時，以耐磨氧化鋁或氧化鋯球為球磨介質，球料比為4:1?12:1，球磨轉速為60?90r/m,球磨時間為10?36h ；
[0017](3)漿料制備:
[0018]將步驟(2)所得的兩種預混液混合后，通過滾筒球磨處理，獲得漿料；
[0019]滾筒球磨工藝為:以耐磨氧化鋁或氧化鋯球為球磨介質，球料比為4:1?12:1，球磨轉速為60?90r/m,球磨時間為10?36h ；
[0020](4)冷凍干燥；將步驟(3)所得的漿料通過冷凍干燥使水分升華，處理工藝為:將漿料置入冷凍干燥機中，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，爐內氣氛為以下氣體中的一種:空氣、氮氣、氬氣；在200?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)高溫反應合成；將步驟(5)獲得的混合粉體，置于環形多孔的坩堝中，坩堝材料為以下材料中的一種:氮化硼、氧化鋁、石墨；再將坩堝放入高溫燒結爐內，通入流動氮氣氣氛，以5?15°C /min的升溫速率，先升至1450?1650°C，使得混合粉體轉變為AlN/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粉的前驅體；采用Y -Al 203粉的前驅體時，步驟(I)稱量原料和步驟(2)預混液配制時按照前驅體中Al2O3名義含量計算。
[0025]進一步的，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，球磨時間為16?24h。
[0027]進一步的，如上所述的一種高