LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法技术

本发明专利技术属于陶瓷材料合成与制备技术领域，具体涉及一种LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法。其以纳米C粉、纳米γ‑Al2O3粉和自制LiAl5O8粉为原料，经一定比例混合球磨、干燥处理后，置于α‑Al2O3或BN坩埚中，再一起放置至高温烧结炉中，通入流动氮气，以5℃～10℃/min的速率升温至1550℃～1700℃并保温1h～4h进行碳热还原氮化反应，自然冷却后，得到LiAlON透明陶瓷粉体。本发明专利技术方法原料成本低，且获得的LiAlON粉体颗粒度细(平均粒径不高于800nm)、纯度高(高于99.5wt％)，适合用来制作透明陶瓷。

Synthesis of LiAlON Transparent Ceramic Powder

The invention belongs to the technical field of ceramic material synthesis and preparation, in particular to a synthesis method of LiAlON transparent ceramic powder. Using nano-C powder, nano-gamma-Al2O3 powder and self-made LiAl5O8 powder as raw materials, after a certain proportion of ball milling and drying treatment, they are placed in a crucible of alpha-Al2O3 or BN, then placed together in a high-temperature sintering furnace, filled with flowing nitrogen gas, and heated to 1550-1700 C at a rate of 5-10 C/min and kept for 1-4 h for carbothermal reduction nitridation reaction. After natural cooling, LiAlON transparent is obtained. Ceramic powder. The method has low raw material cost, fine particle size (average particle size not higher than 800 nm) and high purity (higher than 99.5 wt%) and is suitable for making transparent ceramics.

【技术实现步骤摘要】
LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法
本专利技术属于陶瓷材料合成与制备
，具体涉及一种LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法，特别是指一种可以用来制作LiAlON透明陶瓷的LiAlON粉体的碳热还原氮化合成方法，。
技术介绍
AlON是20世纪50年代由日本的Yamaguchi等人发现的，它是一种通过N元素稳定的立方尖晶石结构材料。1979年，美国的McCauley等人采用AlN、α-Al2O3为原料，通过反应烧结法制备出第一块光学透明的AlON陶瓷。Surmet公司研究表明，它具有各向同性的光学性能，且力学、介电性能与蓝宝石接近，因而在红外窗口、光学头罩、透明装甲等方面，具有广阔的应用前景。然而，AlON在1640±10℃以下处于热力学不稳定状态，因而合成温度较高，通常在1700℃～1800℃以上。研究发现，在AlON相形成过程，掺杂Mg2+或Li+可在相对较低的温度下形成新的单相MgAlON或LiAlON，具有与AlON类似的光学、力学性能。关于这方面的报道主要有以下参考文献，比如：H.X.Willems等人(J.Eur.Ceram.Soc.,10(1992),327–337)、X.Liu等人(J.Am.Ceram.Soc.,97(2014),63–66)、D.Clay等人(J.Eur.Ceram.Soc.,26(2006),1351–1362)。其中，D.Clay等人采用LiAl5O8与AlN、α-Al2O3原料体系反应烧结方法，制备的LiAlON透明陶瓷，具有与AlON接近的力学性能。最近，RongshiZhang等人(J.Eur.Ceram.Soc.,2018年)首次制备出高透明LiAlON透明陶瓷，其光学透过性能(直线透过率)与MgAlON、AlON接近，力学强度、硬度性能要优于MgAlON，因而具有潜在的应用价值。当前，关于LiAlON透明陶瓷的制备上，采用的方法主要有：(1)反应烧结法，即将含Li化合物与AlN，α-Al2O3混合，通过反应烧结(后续可热等静压进一步处理)实现透明陶瓷制备。(2)两步法，即先合成出LiAlON粉体，再进行烧结的方法。比如，R.A.Cutler等人(CeramicEngineeringandScienceProceedings,2007年)研究发现，选取多种含Li的化合物(如Li2O、LiAlO2、LiAl5O8、LiAl11O17)，均可在较低温度下(1550℃～1650℃)实现LiAlON的合成或完全转化，而不添加含Li化合物的AlN、α-Al2O3体系，则通常需要1750℃或以上的温度才能获得纯相AlON。2011年，武汉理工大学王皓等人(CNPat.201110125526.9和CNPat.201110194521.1)将含Li的化合物、AlN和α-Al2O3原料体系混合，置于石墨容器中，通过放电等离子体装置提供的大电流快速加热，1400℃～1800℃可实现LiAlON粉体的合成，并用该粉体制备出了LiAlON透明陶瓷。总体来说，两种方法各有优缺点。反应烧结法需严格控制最终产物中残余第二相和气孔率，工艺步骤简单，但技术难度较大；两步法前提是合成高纯度、颗粒度细的LiAlON粉体，在后续烧结过程需要尽可能减少气孔，工艺步骤稍显复杂，但技术难度相对低一些。碳热还原氮化法(即C-N2-Al2O3或MgO-C-N2-Al2O3原料体系)与固相合成法(即AlN-Al2O3或MgO-AlN-Al2O3原料体系)在AlON、MgAlON透明陶瓷粉体合成方面具有广泛的报道。其中，碳热还原氮化法因选用低成本的C和N2替代AlN，具有成本低的优势，较适合低成本批量化生产(如WO02/06156)，是当前研究的热点。目前来看，LiAlON粉体的合成仅有固相合成法进行了报道。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是：如何提出一种原料成本低且可获取高纯度、细颗粒度LiAlON粉体的方法，并且合成的粉体适合用来制作LiAlON透明陶瓷。(二)技术方案为解决现有技术问题，本专利技术提供一种LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法，该方法包括以下步骤：步骤一：自制LiAl5O8粉；步骤二：取纳米C粉、纳米γ-Al2O3粉和步骤一所得的自制LiAl5O8粉为原料，混合球磨、干燥处理，得粉体A；步骤三：取粉体A，置于α-Al2O3或BN坩埚中，再一起放置至高温烧结炉中，通入流动氮气，以5℃～10℃/min的速率升温至1550℃～1700℃并保温1h～4h进行碳热还原氮化反应，自然冷却后，得到LiAlON透明陶瓷粉体。其中，步骤一所述的自制LiAl5O8粉的合成方法是这样的：以纳米γ-Al2O3粉与Li2CO3粉为原料，按照一定质量比的比例混合球磨、干燥处理后，置于α-Al2O3坩埚中，再一起放置至马弗炉中，空气气氛下升温至800℃～1300℃进行煅烧1h～5h，自然冷却后，得LiAl5O8粉。其中，所述质量比为87.33:12.67。其中，步骤二所述的纳米C粉含量为3.0wt％～6.0wt％、纳米γ-Al2O3粉含量为65.0wt％～80.0wt％、自制LiAl5O8粉含量为15.0wt％～30.0wt％；所述的纳米C粉为纯度不低于97wt％、平均粒径不高于30nm的市售C粉。其中，所述纳米γ-Al2O3粉为纯度不低于99.5wt％、平均粒径不高于100nm的市售γ-Al2O3粉。其中，所述Li2CO3粉为纯度不低于99wt％、平均粒度不高于200nm市售Li2CO3粉。其中，所述的混合球磨、干燥处理方法是这样的：以市售无水乙醇(纯度不低于99.5wt％)为分散介质，以市售高纯氧化铝球(纯度不低于99wt％)为球磨介质，球与粉的质量比为5:1～10:1，球磨转速为80r～200r/min，球磨时间为16h～24h；然后，经50℃～80℃干燥处理去除分散介质后，再经60目过筛。其中，所述步骤三中，α-Al2O3或BN坩埚均为市售产品，纯度不低于97wt％。其中，所述的流动氮气是指恒定速率的高纯氮气流。其中，氮气纯度不低于99.99vol％，流动速率为0.5L～2L/min。(三)有益效果本专利技术提出了一种获取LiAlON粉体的新方法。先前报道的LiAlON粉体合成方法均为固相法(以AlN和Al2O3为原料)，而碳热还原氮化法获取LiAlON粉体未见报道。先前报道的LiAlON粉体合成方法，主要是武汉理工大学王皓等人的专利(CNPat.201110125526.9和CNPat.201110194521.1)方法。相比之下，主要优势或有益效果在于：1)原料成本低。由于纳米AlN粉造价昂贵，且工艺还不成熟。因此与采用AlN为原料的固相方法相比，采用C、N2、Al2O3为原料的碳热还原氮化法，具有原料成本更为低廉的优势；2)粉体烧结效果优异，可用来制作透明陶瓷。该方法合成的LiAlON粉体，经烧结验证，制品的直线透过率要高于此前方法(CNPat.201110125526.9和CNPat.201110194521.1)。进而反映出本专利技术方法的技术进步点。综上，本专利技术所提出的碳热还原法方法，原料成本低，且合成的粉体颗粒度细(平均粒径不高于800nm)、纯度高(高于99.5wt％)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：自制LiAl5O8粉；步骤二：取纳米C粉、纳米γ‑Al2O3粉和步骤一所得的自制LiAl5O8粉为原料，混合球磨、干燥处理，得粉体A；步骤三：取粉体A，置于α‑Al2O3或BN坩埚中，再一起放置至高温烧结炉中，通入流动氮气，以5℃～10℃/min的速率升温至1550℃～1700℃并保温1h～4h进行碳热还原氮化反应，自然冷却后，得到LiAlON透明陶瓷粉体。

【技术特征摘要】
1.一种LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：自制LiAl5O8粉；步骤二：取纳米C粉、纳米γ-Al2O3粉和步骤一所得的自制LiAl5O8粉为原料，混合球磨、干燥处理，得粉体A；步骤三：取粉体A，置于α-Al2O3或BN坩埚中，再一起放置至高温烧结炉中，通入流动氮气，以5℃～10℃/min的速率升温至1550℃～1700℃并保温1h～4h进行碳热还原氮化反应，自然冷却后，得到LiAlON透明陶瓷粉体。2.如权利要求1所述的LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法，其特征在于，步骤一所述的自制LiAl5O8粉的合成方法是这样的：以纳米γ-Al2O3粉与Li2CO3粉为原料，按照一定质量比的比例混合球磨、干燥处理后，置于α-Al2O3坩埚中，再一起放置至马弗炉中，空气气氛下升温至800℃～1300℃进行煅烧1h～5h，自然冷却后，得LiAl5O8粉。3.如权利要求2所述的LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法，其特征在于，所述质量比为87.33:12.67。4.如权利要求1所述的LiAlON透明陶瓷粉体的合成方法，其特征在于，步骤二所述的纳米C粉含量为3.0wt％～6.0wt％、纳米γ-Al2O3粉含量为65.0wt％～80.0wt％、自制LiAl5O8粉含量为15.0wt％～30.0wt％；所述的纳米C粉为纯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王跃忠，田猛，张荣实，
申请(专利权)人：天津津航技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12