一种燃烧合成气雾法制备氧化铝基纳米共晶复合微粉的方法技术

一种燃烧合成气雾法制备氧化铝基纳米共晶复合微粉的方法，涉及一种Al2O3基纳米共晶微粉的制备方法。是要解决现有制备Al2O3基共晶陶瓷强度和韧性差，制备周期长，难以实现工业化的问题。方法：将原料分别进行干燥，然后混合均匀，装入高压反应器中，在反应气氛下，引燃原料，进行高温燃烧合成反应，反应完全后得到高温熔体，保温，开启高压反应器喷嘴，熔体高流速喷出，经过气相快速冷却，获得Al2O3基纳米共晶复合微粉。本方法对原材料的粒度要求不高，因此采用的是微米级粉末，极大的降低了成本。工艺效率极高，每次可喷粉1‑30公斤，可以进行大批量生产。本发明专利技术用于复合陶瓷材料领域。

Preparation of alumina based nano eutectic composite powder by combustion synthesis aerosol method

The invention relates to a method for preparing alumina-based nano-eutectic composite micro-powder by combustion synthesis aerosol method, and relates to a method for preparing alumina-based nano-eutectic micro-powder. Al2O3-based eutectic ceramics have the disadvantages of poor strength and toughness, long preparation cycle and difficult industrialization. METHODS: The raw materials were dried separately, then mixed evenly, then loaded into a high-pressure reactor, ignited in the reaction atmosphere, and carried out high-temperature combustion synthesis reaction. After the reaction was complete, high-temperature melt was obtained, heat preservation, high-pressure reactor nozzle was opened, high-velocity melt was ejected, and Al_2O_3 Gina was obtained by rapid cooling in the gas phase. Rice eutectic composite powder. The granularity of raw materials is not required by this method, so micron powder is adopted, which greatly reduces the cost. The process efficiency is very high, each time can spray powder 1 to 30 kilograms, can carry on the mass production. The invention is applied to the field of composite ceramic materials.

【技术实现步骤摘要】
一种燃烧合成气雾法制备氧化铝基纳米共晶复合微粉的方法
本专利技术涉及一种Al2O3基纳米共晶微粉的制备方法。
技术介绍
氧化物陶瓷具有优良的抗氧化性和抗腐蚀性，能在高温氧化气氛下长期工作。传统方法制备的多晶氧化物陶瓷由于晶界处存在非晶相、气孔和夹杂等缺陷，在高温环境下晶界容易扩散和滑移，导致其强度和抗蠕变等力学性能迅速恶化，使用温度在1000～1200℃下，不适合作为高温结构材料。研究表明Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的具有高熔点、高强度、优异的抗氧化性和抗蠕变等特性，兼顾高硬度、高强度的同时具有优异的高温强度和高温稳定性，可实现在1600℃长期服役的条件，认为是最有希望的高温氧化气氛下长期工作的结构材料之一。共晶陶瓷的机械性能取决于材料的微观组织结构，一般来说，组织结构越细密，性能越好。较快的冷却速度可以有效的抑制晶粒的长大，降低生长速率，从而起到细化组织结构的目的。早期的共晶陶瓷制备方法主要为定向凝固技术，包括微拉法、布里奇曼法、电弧区域熔炼法、激光加热熔化法等。定向凝固技术虽然可实现Al2O3基共晶陶瓷的制备，但是大尺寸与细密组织结构之间的矛盾限制了其工业应用。比如布里奇曼法可以制备大尺寸样品，但是较低的生长速度导致共晶间距增大，从而材料的强度、韧性较差，且制备周期长，无法大批量生产，无法实现工业化。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有制备Al2O3基共晶陶瓷强度和韧性差，制备周期长，难以实现工业化的问题，提供一种燃烧合成气雾法制备Al2O3基纳米共晶复合微粉的方法。本专利技术燃烧合成气雾法制备氧化铝基纳米共晶复合微粉的方法，包括以下步骤：将原料分别进行干燥，然后混合均匀，装入高压反应器中，在反应气氛下，引燃原料，进行高温燃烧合成反应，反应完全后得到高温熔体，保温1～60s后，开启高压反应器喷嘴，在高压反应器内高压气体作用下，熔体高流速喷出，经过气相快速冷却，获得Al2O3基纳米共晶复合微粉；其中所述原料按质量份数由x份的铝粉、y份的硝酸盐和z份的稀释剂构成,其中10<x<35，0<y<40，25<z<90。其中气相冷却主要是在常温下进行，气相冷却介质可为稳定气流、低压气流以及高压气流(空气，氮气惰性气体)。进一步的，所述硝酸盐为硝酸铝、硝酸锆、硝酸镁、硝酸铈、硝酸钇、硝酸铽、硝酸钬、硝酸铒、硝酸镝、硝酸铥、硝酸镱、硝酸钐、硝酸钆、硝酸钐、硝酸铕中的一种或几种按任意比组成的混合物。进一步的，所述稀释剂为氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化锌、氧化钇、氧化铈、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化扎、氧化钐、氧化铕、氧化铒中的一种或几种按任意比组成的混合物。进一步的，所述燃烧合成反应产物含有氧化锆时，氧化钇为产物中氧化锆的摩尔含量的0-20mol％、氧化铈为产物中氧化锆的摩尔含量的0-30mol％、氧化镁为产物中氧化锆的摩尔含量的0-28mol％、氧化钙为产物中氧化锆的摩尔含量的0-33.45mol％、氧化钛为产物中氧化锆的摩尔含量的0-44.41mol％，氧化钪为产物中氧化锆的摩尔含量的0-20mol％。通过加入相变稳定剂(氧化钇、氧化铈、氧化镁、氧化钙、氧化钛)控制t-ZrO2含量，可使四方相氧化锆稳定到室温，有利于相变増韧。进一步的，在引燃原料之前，还对原料进行预热，预热温度为25～600℃。将原料进行预热，在相同的设定温度下可以降低所需要的反应热。从而在一定程度上降低反应剂含量。进一步的，所述反应气氛为真空、空气、惰性气体、O2、N2中的一种或几种按任意比组成的混合气体。所述O2的压力为0-30MPa，所述N2的压力为0-20MPa，所述空气的压力为0.1-20MPa，所述惰性气体的压力为0-5MPa。本专利技术的有益效果：本专利技术方法以活泼金属铝粉作为还原剂，金属硝酸盐作为氧化剂，发生放热反应提供热源，加入惰性添加剂氧化铝、氧化锆控制反应温度及成分，通入气体调节反应压力，获得不同体系的Al2O3基纳米共晶复合陶瓷粉体。首先将原料混合均匀后装入反应容器，用电阻丝引燃，发生快速稳定的高放热的燃烧合成反应，使温度达到体系的熔点以上，保温一定时间使成分在液相状态均匀混合，开启喷嘴，利用反应高压，将熔融的产物喷射入气相冷却介质中快速冷却，形成Al2O3基纳米共晶复合陶瓷粉末。以产物Al2O3/ZrO2为例，若加入硝酸盐为硝酸锆时，燃烧合成反应式为：20Al+3Zr(NO3)4→6N2+10Al2O3+3ZrO28Al+3N2+6ZrO2→4Al2O3+6ZrN本专利技术中，在加入硝酸盐的基础上，还可以通入O2、N2或惰性气体控制反应速率及调节反应压力。保证实验安全和调节喷出速度。当只通入N2的时候，燃烧合成反应式为：20Al+3Zr(NO3)4→6N2+10Al2O3+3ZrO28Al+3N2+6ZrO2→4Al2O3+6ZrN当通入O2/N2混合气体时，燃烧合成方程式为(以最终产物为Al2O3/ZrO2为例)：4Al+3O2→2Al2O320Al+3Zr(NO3)4→6N2+10Al2O3+3ZrO28Al+3N2+6ZrO2→4Al2O3+6ZrN当通入N2，以Al粉和硝酸铝作为原料，制备Al2O3/ZrO2时，燃烧合成反应式为：16Al+2Al(NO3)3→3N2+9Al2O38Al+3N2+6ZrO2→4Al2O3+6ZrN本专利技术可以通过设计反应剂的比例，来调剂燃烧合成反应的理论绝热温度和反应压力。其中压力的控制主要通过三种途径：1)通过改变原料配比、气氛压力调节反应容器内的气体压力；2)通过反应产生的温度来调节压力；3)反应后通过减压使体系降到制定压力。最终将体系中的压力范围控制在0.5～50MPa。本专利技术采用燃烧合成气雾法，该方法无需外部热源，依靠原料自身反应时放出的热量进行无机难熔材料的合成。一般而言，在平衡状态下的凝固，只有共晶点对应的体系才能生成完全的共晶组织，其它成分点都会出现另一相。而在远离平衡态凝固时，在两条液相线的延长线所包围的伪共晶区，当体系从液相快速冷却到该区域时，即使共晶体系中的两相组分不满足共晶点对应的成分，体系中也是有可能出现100％的共晶组织。燃烧合成气雾法具有极高的冷却速率，这不仅细化了共晶组织结构，而且极大扩展了伪共晶区。在本专利技术方法中，体系发生放热反应，产生一个高温高压环境，从而使原料达到熔点以上，形成熔体。熔体在高压环境中，从喷嘴喷出，经过气相冷却介质急冷形成纳米共晶陶瓷粉体。以本专利技术制备的Al2O3/ZrO2纳米共晶粉末为例，Al2O3/ZrO2共晶粉末中ZrO2含量可达20wt％～80wt％。极大的拓宽了伪共晶区。本专利技术在燃烧合成反应过程中绝热温度极高，可达2100～4000℃。加入惰性添加剂作为稀释剂，不仅可以提高燃烧合成的稳定性，而且有利于调控最终产物的比例，从而获得不同比例下的共晶粉末。此外，加入一定过量的铝粉，可中和反应生成的氮气，可方便调控反应压力，为熔体的喷出提供技术保障。此外，在粉末产物中形成的硬质相ZrN可提高了材料的力学性能和电子电导性能。以制备得到纳米复合氧化铝/氧化锆共晶陶瓷为例。当氧化锆含量较低(20wt％-40wt％)时，强度可达800MPa，韧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃烧合成气雾法制备氧化铝基纳米共晶复合微粉的方法，其特征在于该方法，包括以下步骤：将原料分别进行干燥，然后混合均匀，装入高压反应器中，在反应气氛下，引燃原料，进行高温燃烧合成反应，反应完全后得到高温熔体，保温1～60s后，开启高压反应器喷嘴，在高压反应器内高压气体作用下，熔体高流速喷出，经过气相快速冷却，获得Al2O3基纳米共晶复合微粉；其中所述原料按质量份数由x份的铝粉、y份的硝酸盐和z份的稀释剂构成,其中10

【技术特征摘要】
1.一种燃烧合成气雾法制备氧化铝基纳米共晶复合微粉的方法，其特征在于该方法，包括以下步骤：将原料分别进行干燥，然后混合均匀，装入高压反应器中，在反应气氛下，引燃原料，进行高温燃烧合成反应，反应完全后得到高温熔体，保温1～60s后，开启高压反应器喷嘴，在高压反应器内高压气体作用下，熔体高流速喷出，经过气相快速冷却，获得Al2O3基纳米共晶复合微粉；其中所述原料按质量份数由x份的铝粉、y份的硝酸盐和z份的稀释剂构成,其中10<x<35，0<y<40，25<z<90。2.根据权利要求1所述的一种燃烧合成气雾法制备氧化铝基纳米共晶复合微粉的方法，其特征在于所述硝酸盐为硝酸铝、硝酸锆、硝酸镁、硝酸铈、硝酸钇、硝酸铽、硝酸钬、硝酸铒、硝酸镝、硝酸铥、硝酸镱、硝酸钐、硝酸钆、硝酸钐、硝酸铕中的一种或几种按任意比组成的混合物。3.根据权利要求1或2所述的一种燃烧合成气雾法制备氧化铝基纳米共晶复合微粉的方法，其特征在于所述稀释剂为氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化锌、氧化钇、氧化铈、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化扎、氧化钐、氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑永挺，郁万军，苏晓悦，林逢雨，潘家雨，赫晓东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23