高溫陶瓷制備：由金屬到陶瓷

1、高溫陶瓷制備：由金屬到陶瓷高溫陶瓷制備：由金屬到陶瓷西安建筑科技大學(xué) 蔣明學(xué) 朱永章傳統(tǒng)思維金屬不穩(wěn)定陶瓷自然界最穩(wěn)定人工制造自然變化 回答：可以，而且有很多實(shí)例逆向思維？陶瓷金屬幾個(gè)典型實(shí)例金屬硅氮化硅碳化硅金屬硅和鉬硅化鉬金屬硅和鎢硅化鎢單質(zhì)硼氮化硼碳化硼金屬鈦氮化鈦碳化鈦碳氮化鈦高溫陶瓷的新需求 高純度高溫陶瓷材料； 特定顆粒形貌； 特定尺寸； 特殊組成（如金屬-陶瓷）1，高純陶瓷為什么從金屬來？電解區(qū)域熔化結(jié)晶偏析氣化金屬易于提純：怎么從金屬來？ 氧化 氮化 硅化 硼化 碳化 其它化合與分解從金屬來有什么效果？ 工藝簡(jiǎn)單 質(zhì)量穩(wěn)定 成本合理 環(huán)境友好2，特殊陶瓷形貌 球狀 晶須 纖維

2、薄膜特殊形狀如何得到？ 特形前置：金屬的柔韌性易于加工 金屬的化合分解可以在低溫可控生長(zhǎng) 金屬的蒸氣化合特形陶瓷由金屬制備的優(yōu)點(diǎn)： 形狀可以控制 純度可以掌握 大小可以設(shè)計(jì) 工藝簡(jiǎn)單3，特殊陶瓷顆粒尺寸 微粉 納米如何由金屬得到？ 金屬蒸氣化合 金屬液滴霧化化合 金屬鹵化化合 金屬粉末化合4，特殊組成：金屬-陶瓷 Al-Al2O3 Cr-Cr2O3 Ti-TiN Si-Si3N4 Mo/W-Al2O3 Mo-MgO Fe-Si3N4如何從金屬制陶瓷-金屬 熱爆合成：劇烈反應(yīng)是不完全反應(yīng) 化合合成：控制部分合成 混合物選擇性反應(yīng)：Fe-Si3N4 自蔓延燃燒合成由金屬制備陶瓷-金屬的優(yōu)點(diǎn) 工藝簡(jiǎn)

3、單 質(zhì)量穩(wěn)定 成本合理 環(huán)境友好5，火花放電制高純氧化鋁用途 1 1、發(fā)光材料用作稀土三基色熒光粉、長(zhǎng)余輝熒光粉、PDP熒光粉、LED熒光粉的主要原料 2、透明陶瓷用作高壓鈉燈的熒光燈管、電可編程序只讀存儲(chǔ)器窗口 3、單晶用于制造紅寶石、藍(lán)寶石、釔鋁石榴石用途 2 4、高強(qiáng)度高鋁陶瓷用于制造集成電路基片、切削工具、高純度坩堝 5、磨料用于制造玻璃、金屬、半導(dǎo)體、塑料的磨料 6、其它用作活性涂層、吸附劑、催化劑和催化劑載體、真空鍍膜，特殊玻璃原料、復(fù)合材料、樹脂 銨明礬熱分解法Al2(SO4)3+(NH4)2SO4=NH4Al(SO4)212H2OAl(SO4)2+(NH4)2SO4Al2O3+

4、3SO3+24H2O該方法是目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)超細(xì)Al2O3的主要方法原料易提純，脫水后熱解容易產(chǎn)生SO3、NH3等氣體污染環(huán)境，過程復(fù)雜能耗大碳酸鋁銨熱分解法4NH4HCO3+NH4Al(SO4)2=NH4AlO(OH)HCO3+3CO2+2(NH4)2SO4+H2O 綜合經(jīng)濟(jì)效果較好,較先進(jìn)的工藝方法成本高工藝復(fù)雜且技術(shù)條件不易控制改良拜爾法 用偏鋁酸納溶液進(jìn)行數(shù)次脫硅、除鐵、分解、洗滌等工序制取高純氫氧化鋁。然后通過高溫焙燒、洗滌等工序制成高純超細(xì)氧化鋁。污染環(huán)境嚴(yán)重，工藝復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，純度波動(dòng)大。產(chǎn)量大，設(shè)備簡(jiǎn)單。氯乙醇法 鋁酸鈉溶液與有機(jī)酸2-氯乙醇中和制成氧化鋁水合物，并熱化

5、生成三水鋁石，后經(jīng)一定溫度煅燒生成超純Al2O3 副產(chǎn)品環(huán)氧乙烷經(jīng)處理制成2-氯乙醇，供循環(huán)使用?；鸹ǚ烹娝庵苽溲趸X概況 國(guó)外曾有人用直徑為1.01.5cm的高純粒狀鋁浸入反應(yīng)器內(nèi)的無離子水內(nèi)在24KV高電壓下每秒1200次火花放電，由電能使粒狀鋁生成粉末狀鋁，同時(shí)水分解生成氫氧離子，粉末狀鋁與氫氧離子反應(yīng)生成水合氧化鋁。水合氧化鋁經(jīng)焙燒后得到 - Al2O3 ?；鸹ǚ烹姺ㄖ苽涓呒冄趸X原理 在常溫常壓下，金屬鋁表面覆蓋了一薄層致密的氧化鋁膜，阻止了水或氧氣與內(nèi)部Al的進(jìn)一步反應(yīng)。火花放電產(chǎn)生高溫使部分鋁融化成為活性Al與水反應(yīng)，同時(shí)火花放電產(chǎn)生的沖擊力使Al粒層層剝落生成微小鋁顆粒，細(xì)小

6、Al粒具有高活性，從而不斷與水反應(yīng)生成Al(OH)3，再經(jīng)過煅燒生成Al2O3。原理 2Al + 6H2O 2Al(OH)3 + 3H2 2Al(OH)3 Al2O3+H2O火花放電法制備高純氧化鋁工藝過程 將純度99.9910%的高純鋁絲用鋼鉗剪成長(zhǎng)度1.5cm左右的鋁粒，清洗后放入裝有二次去離子水的電解槽中，反應(yīng)槽兩端分別插入用同樣純度的高純鋁板制成的正負(fù)極板，將電解槽密封起來（留有排氣孔），接通電路，調(diào)節(jié)極板間電壓，起始電壓為5v，隨著反應(yīng)的進(jìn)行可緩慢升高電壓，整個(gè)過程中電壓越高反應(yīng)越劇烈，反應(yīng)過程中只有少量H2排出。待反應(yīng)終止后，取溶液過濾后得到白色微暗的溶膠。經(jīng)膠凝，置于干燥箱內(nèi)干燥

7、10h得到白色粉末，再在不同溫度下煅燒，得到不同晶態(tài)的氧化鋁粉末。水中火花放電實(shí)驗(yàn)裝置反應(yīng)現(xiàn)象A 反應(yīng)初期 B 反應(yīng)結(jié)束后10203040506070800200040006000800010000 intensity（CPS） 2/() -Al(OH)3(Doyleite)-Al(OH)3(Nordstrandite,syn)-Al(OH)3(Bayerite,syn) -AlXRD patterns of the prepared powder（8010h）制得制得粉粉體的體的XRD圖圖 TG-DTA curve of Al2O3 powder升溫速度：5/min2002004004006

8、006008008001000100012001200140014005.55.56.06.06.56.57.07.07.57.58.08.0-100-100-80-80-60-60-40-40-20-200 02020Mass ratio/%Temperature/DTATG Heat flow/mV 277吸熱峰：Al(OH)3分解生成了-Al2O3和AlOOH658吸熱峰：鋁的熔化220以下：吸附水的蒸發(fā)過程220285：Al(OH)3向-Al2O3的轉(zhuǎn)變及部分Al(OH)3轉(zhuǎn)變?yōu)锳lOOH285800：AlOOH向-Al2O3的轉(zhuǎn)化及Al的熔化、氧化和Al2O3的晶型轉(zhuǎn)變?cè)?180附近

9、開始生成-Al2O310203040506070 Intensity（CPS）2/()abcd-Al2O3-Al2O3AlXRD patterns of powders calcined at different temperature a) 13003h，b) 12003h，c) 7001h，d) 6001h1，在12003h以前除-Al2O3以外，還含有一定量沒有反應(yīng)完全的金屬鋁，此時(shí)得到得是高純的Al/Al2O復(fù)合物2，在12003h煅燒后，樣品中除少量鋁殘留外，其余已完全轉(zhuǎn)化為- Al2O3。3，在13003h煅燒后全部被氧化成-Al2O3， SEM of sample calcine

10、d at 1300 for 3 hours (a) (b) (c) (d) 13003h下處理后試樣的顯微結(jié)構(gòu)（高純精鋁為原料）下處理后試樣的顯微結(jié)構(gòu)（高純精鋁為原料） Comparison of raw material impurities and products of impurities (ICP-OES) 分析組分(g/g)CuFeSiTiZn主元素原料鋁絲 44202212999910產(chǎn)物樣品 22202312999932 Comparison of The actual purity of the product purity and theoretical分析組分(g/g)CuFe2O3SiO2TiO2ZnOAl2O3氧化鋁產(chǎn)物27.528.5747.141.672.49999893理論含量2915.1324.960.881.32999929結(jié)論結(jié)論 1 火花放電法制備的粉體含有不同型態(tài)的Al(OH)3，還含有部分殘留鋁，被包裹在氫氧化鋁中，經(jīng)7001h煅燒得到的氧化鋁純度為99