AlON粉体的合成

第38卷增刊:稀有金属材料与工程Vol.38, Suppl.22009年12 月RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERINGDecember 2009AION粉体的合成赵小军，茹红强',张宁2， 孙有政2(1.东北大学，辽宁沈阳10004)(2.沈阳大学，辽宁沈阳10044)摘要: 以a-Al2O3和AIN为原料，利用高温固相反应在氮气气氛下常压合成了AION粉体。研究了成分配比、合成温度、保温时间对合成AION粉体含量的影响,并通过热分析测试了合成过程热流和质量的变化。结果表明，当原料Al2O3和AIN的质量比为81:18、合成工艺为1750 C,2h时，得到AION相的含量达到95%以上。关键词: AION; 固相反应;合成中图法分类号: TQ174文献标识码: A文章编号: 1002-185X(2009)S2-0078-04尖晶石型氧氮化铝(AION)是以Al2O3-AIN体系存温度的变化情况。在的一个重要单相，是一种比较稳定的固溶体陶2结果及分析瓷[2。AION陶瓷材料以独特的性能成为颇具潜力的新材料3)，它不仅具有良好的耐高温性、热震稳定性2.1 原料配比对AION生成量的影响和耐氧化性能，是一种理想的高温结构陶瓷和近代耐根据相图，在1750 C可以形成稳定存在的AION火材料。同时，由于高纯、致密的AION材料具有良相的范围内取了3种不同的原料成分配比，具体的原好的透光性，且由于其具有光学各向同性，在0.2~ 0.8料配比如表1所示。在各种成分配比中都加入了1%μm光波波段最高理论透过率可达80%以上，只要注的Al粉，起还原剂的作用。意控制晶界的组织结构和残余气孔4，AION透明陶瓷还是耐高温红外窗口和头罩的优选材料之一(5-7]。表1 不同种类原料的配料组成目前，AION陶瓷在材料领域已受到了广泛关Table 1 Compositions of mistures with different starting注[8-10。但是AION的合成机理还有待研究，至今仍material (w/%)未找到适宜的AION制备工艺参数1)。由于成本、工Numbera-Al2O3A艺和技术等方面的原因，我国距工业生产AION还有8l8相当距离[12]。本研究采用Al2O3 和AIN为原料合成29AION粉,通过测试AION相的生成含量探索AION的C34合成工艺，并通过热分析测试在合成过程中的热流和热重的变化情况。对不同原料配比合成的AION粉体进行物相分析，结果如图1所示。不同原料配比下合成AION相1实验的相对含量见图2.由图1和图2可以发现Al2O3含量.使用的原料有Al2O3、AIN及Al粉。按照原料配对产物的相组成有着重要的影响。各种配比的原料合比称取各粉末后，以无水乙醇为溶剂，加入刚玉磨球成后都有大量AION相生成，说明Al2O3和AIN在这湿磨24h后，再将得到的浆料进行干燥，获得混合粉个温度下已经发生了固相反应，但是实验还发现除了末，最后将混合粉末放入石墨坩埚中置于真空碳管烧AION相以外，都还有AIN相。随着Al2O3含量的增结炉中在设定的工艺参数下在氮气气氛下合成AION加，未反应完全的AIN相含量逐渐减少，其XRD衍粉体，并通过XRD分析合成粉体的相组成。射峰强度逐渐减弱，生成的AION相含量逐渐增加。称取少量球磨并干燥后的混合粉末放入刚玉坩埚.当Al2O3含量达到81%时，AION的生成量可以达到置于热分析仪中加热到1550 C，测量热流及热重随95%以上，基本上可以认为只有AION相存在。AION中国煤化工收稿日期: 2009-06-22基金项目:国家自然科学基金(50672060)及辽宁省基金项目(05L265, 20052002YHCNMHG作者简介:赵小军，男，1983 年生，博士,东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳10004,电话: 024-83680248, E-mail: zhaoxiajun1314@163.co增刊2赵小军等: AION 粉体的合成●79.的表达式为Al23O2zNs， 用两种原料可以表示为相:当温度继续升高，在1800 C时，生成的AION相9Al2O35AIN，此时与实验的结果相吻合。含量明显降低，AIN含量增加，这可能是部分AION另外，从图1中还发现在合成的AION粉体中都发生分解造成的结果。含有少量的AIN,这是由于原料是在以石墨为加热体的炉中进行合成，由于Al2O3在高温、还原气氛(CO、C)中能够和N发生反应生成AIN13,14。 另外，提供8北i止......还原气氛的部分Al粉和N在高温下也能生成AIN,●AIN.所以最后残留极少量的AIN属于正常现象。■ALO,1750 ,C il●AON1700 CA.it出让1地么坚208010020/0B_一1图3不同温度下合成AION粉的XRD图谱Fig. 3 XRD patterns of AION power at dfferet temperatureC_。4080100-20/(0)80-图1不同原料配比合 成AION粉体的XRD图50Fig.1 XRD patterns of sample with different composition00-20-17001750180060Temperature, T/C图4不同合成温度下AION的生成量图Fig.4 Content of AION product at diferent temperature657081从图3和图4还可以看出,1750C时生成的AIONContent ofALOJ%衍射锋最强，其含量最多，达到95%以上，故该温度图2不同AlO3含量下AION的生成量图为合成AION粉体的最佳温度。当低于该温度的时候，Fig.2 Content of AION product with dfferent content of Al2O3反应未进行或者反应不完全:当高于该温度的时候，部分已生成的AION相发生分解，AION相含量降低,2.2合成温度对AION生成量的影响AIN相含量明显增加。这是因为AION相部分发生分选择a-Al2O3 和AIN为原料，升温速率为10解生成了AIN,但是Al2O3 含量没有明显增大，这可C/mnin，保温时间2h, 氮气气氛下合成AION粉体。能是由于分解后的Al2O3是以Al和Al2O气体的形式温度分别设置为1700，1750， 1800 C.而随气流逸出。另外在高温下还发现极少量的AlgO3N,对在不同合成温度下合成的粉体进行XRD物相相，可能这是AION相分解后的残留相，有待进- -步分析，结果如图3所示。在不同的合成温度下生成研究和证实。AION相的相对含量如图4所示。由图3可知,在17002.3中国煤化工响C时，有部分AION相生成，但是反应不够完全，同MHC NMH G,取升温速率为10时还有大量的Al2O3和AIN存在。在1750 C时,基本气氛下合成AION .上完全反应,主要都是AION相,还残留极少量的AIN粉体。研究选择1.5, 2, 2.5 b等不同保温时间对AION●80.稀有金属材料与工程第38卷生成量的影响。不同保温时间下合成的AION粉体的XRD物相分50p0.4析结果如图5所示，图6为AION相的生成量随保温of时间变化的变化情况。.00.0302of-0.42.5h，证1t 5 1...10---0.●AION▲AIN. ALOn04400800 1200 1600”01心9迟Temperature, IT/'C1.sh, : ;论图7不同温度下的热流和质量变化曲线2040 6080 100Fig7 Heat flow and the TG curve of the sample at diferent20/0temperature图5不同保温时间下 烧结样品的XRD图谱Fig. 5 XRD patterns for dfferent holding time由图7中热流的变化曲线发现在100 C左右有1个吸热峰，这是由于物料里残留的水分等挥发引起的:100F在660 C左右有1个很小的吸热峰，这是由于物料中? 80少量的Al粉熔化造成的;在1350 C左右有1个明显的放热峰，这是因为在该温度下，物料里少量的呈6(r-Al2O3向a-Al2O3 发生晶形转变引起的。此外，在升温的过程中，没有发现其他的吸热或者放热峰，于是’ 20也可以肯定在低于1550C以下Al2O3和AIN还未发生固相反应。1.2.02.5由图7中质量的变化曲线发现在1000C以前物Time, t/h料的质量出现逐渐减少的现象，但当温度高于1000图6不同保温时间下 AION的生成量图C以后，质量基本保持不变。由热流变化曲线没有发Fig.6 Content of AION product for diferent bolding time现有化学反应，所以失重均为物理反应现象引起的。在开始阶段，随着温度的升高样品开始失重的原因是由图5可以看出，当保温时间为1.5h时,生成了因为水和有机物的挥发。由于混料的时候粉料都是置部分AION相，同时还有大量的Al2O3和AIN存在，.于无水乙醇介质中进行湿磨的，取出后虽然经过干燥，所以合成还未反应完全;保温时间为2 h时，主要含但是由于温度不是很高，所以会有少量残余，一般这有AION相，还残留少量AIN相，可以认为反应基本种有机物在200 C左右才开始挥发，300 C以上才挥.完全;保温时间为2.5h时，AION 相含量出现降低的发完全。另外，由于经过干燥后的粉料中还含有- -定现象。在合成过程中适当的降低合成温度，通过- -定量的吸附水，物理吸附水在350 C以下基本蒸发完全，.的保温保压时间以完成固相反应。但是过长的保温时如以Al2O3-xH2O或AI(OH)3形式存在的化学吸附水，间，易引起粉体颗粒的长大，降低粉体的烧结性能。它们则需要在更高的温度下才可以发生分解:此外，随着保温时间的增加，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还原在保温2 h后AION粉体中AION相的比例最高、残气氛的铝粉发生反应: Al2O3+Al- →Al2O,生成挥发性留反应物的量最低，说明合成AION相的最佳保温时低价氧化物['s,这也会引起失重。间为2h.3结论2.4 热分析中国煤化工_为了研究物料在升温的过程中(热分析仪器中将二示,用Al2O3和AIN其升温至1550C)热流及变化情况，实验称取少量已为 原.HHCNMHG成AION粉体。混好的粉料进行热分析，其TG-DTA曲线如图7所示。Al2O;:AIN 的最佳成分配比为81:18，最佳合成工艺为增刊2赵小军等: AION 粉体的合成.81●1750 C下保温2 h,由热分析发现在1550 C以下物[9] Graham E K, Munly W C. J Amer Ceram Soc[J], 1988, 71(10);:料之间的固相合成反应还未发生。307[10] Willems H X, Hendrix M M, With G D et al, J Eur Ceram参考文献ReferencesSoc[], 1992, 10(4): 339[1] Pei X M. Journal of Wuhan University of Technology[], 2001，[1] Wang X D, Li W C. The Chinese Journal of Nonferrous23 (7):8Metals[], 2001, 11 (1): 59[2] Zheng J, Bertil F. J Euro Caram Soc[J, 1995, 15(11): 1087[12] Wang Xidong(王习东). The Properies and Sructures of[3] Li Y W, Li N, Yuan R z. Naihuo Cailio[J], 2000, 34(2): 108AION and MeAlON Ceramics(AION及MeAION陶瓷的性能[4] Jli Y M, Jiang D Y, Feng T et al. Journal of Inorganic结构)[D], Beijing: Bejing Science and TechnologyMaterials([], 2004, 19(2): 275University, 2001[5] Hartnett T M, Bernstein S D, Maguire E A et al. Infrared [13] Huang L P, Huang X z, Fu x R et al. Journal of The ChinesePhysics &Technology[0], 1998, 39(4): 203Ceramic Sociery[D], 1986, 14(3): 332[6] Daniel C Harris. Infrared Physics & Technology{J], 1998,[14] LinJL, Qu X H, Huang D S et al. 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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中国煤化工MYHCNMHG