Способ получения субмикронного порошка альфа-оксида алюминия



Владельцы патента RU 2625104:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН) (RU)

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения субмикронного порошка альфа-оксида алюминия включает обработку гидроксида алюминия, полученного способом Байера, в мельнице с затравочными частицами, сушку, прокаливание и дезагрегацию полученного порошка путем помола в органическом растворителе. В качестве затравки используют нанопорошок альфа-оксида алюминия с размером частиц менее 25 нм в количестве 1-5 масс. %. Смесь гидроксида алюминия с затравкой обрабатывают методом сухого помола в шаровой мельнице с добавлением 20-30 масс. % гексана. Затем проводят сушку на воздухе и прокаливание при 900-950°С в токе воздуха. Принудительный поток воздуха над прокаливаемым материалом имеет температуру в интервале 500-950°С. Скорость подъема температуры при прокаливании 300°С/час. Изобретение позволяет получить порошок, состоящий из частиц альфа-оксида алюминия сферической формы, слабоагрегированный, с узким распределением частиц по размерам, а именно от 0,1 до 0,3 мкм, пригодный для получения плотной алюмооксидной керамики при снижении энергозатрат. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 5 пр.

 

Изобретение относится к области химии, а именно к способам получения субмикронного порошка альфа-оксида алюминия с узким распределением частиц по размерам, предназначенного для низкотемпературного получения плотной алюмооксидной керамики с высокими механическими свойствами.

Задача изготовления субмикронного альфа-оксида алюминия с узким распределением по размерам, требующегося в качестве абразивного материала и/или сырья для керамики, стоит вот уже в течение длительного времени. Ключом к решению этой задачи является предотвращение быстрого роста зерен, вызванного высокой температурой перехода промежуточных модификаций в стабильную альфа-фазу. Хорошо известно, что температуру перехода можно снизить при использовании затравки, вводимой в кристаллизующиеся алюмогидроксидные прекурсоры. В водный раствор, содержащий ионы алюминия, обычно добавляют несколько процентов по весу затравки из альфа-оксида алюминия в виде мелких частиц, чтобы создать условия для осуществления фазового превращения при более низкой температуре. Золь сушат на воздухе ориентировочно при 100-150°С, преобразуя в сухой гель, а затем обжигают при температуре, ориентировочно выше 1000°С, чтобы получить частицы из альфа-оксида алюминия.

Известно также, что чем меньше размер частиц затравки, тем меньше будет температура кристаллизации. За счет наличия затравочных частиц температура преобразования снижается, ориентировочно от температур в диапазоне от 1200 до 1250°С для золей, приготовленных без затравки, до температур в диапазоне от 1000 до 1050°С. Приготовленный таким образом альфа-оксид алюминия может иметь субмикронные размеры частиц. Процесс последующего размалывания образовавшихся при 1000-1050°С достаточно прочных частиц приводит к высокому уровню загрязнения примесями и, кроме того, малоэффективен.

Известен способ получения зерен и волокон из альфа-оксида алюминия из бемита, который пептизируют, а затем диспергируют в воде с образованием золя оксида алюминия. Полученный золь быстро охлаждают в жидком азоте или, альтернативно, медленно охлаждают при помощи сублимационной сушки. Вода сублимируется из золя с образованием из него геля, содержащего чешуйки, хлопья, имеющие толщину, ориентировочно, от 1 до 3 мкм. При помощи данного способа могут быть получены более мелкие порошки, чешуйки, волокна и зерна из оксида алюминия, однако данные порошки не имеют пористости, а для их размола требуется высокая механическая энергия, причем процесс размалывания приводит к высоким уровням загрязнения примесями продукта из альфа-оксида алюминия (1. Пат. US №5312791, опубл. 17.05.1994 г).

Известен способ получения нанокорундовых порошков с помощью затравочных наночастиц диаспора (2. DE №19922492, опубл. 16.11.2000 г.). Использование затравочных наночастиц диаспора позволило получить порошок, состоящий на 90% из нанопорошка альфа-оксида алюминия с размером частиц в интервале 25-60 нм. Этот порошок затем размалывали в водной среде. Недостатком данного способа является невозможность полной дезагрегации его при размоле в водной среде. Около 25% порошка приходилось затем отцентрифугировать. Кроме того, диаспор получают синтетическим путем с помощью дорогостоящего гидротермального синтеза, что не позволяет использовать данный способ для получения корундовой керамики из-за дороговизны.

Известно, что образование альфа-фазы оксида алюминия протекает при 970°С, после механохимической обработки гамма-оксида алюминия в течении 0-12 часов шарами из WC. Данный способ получения корундовых порошков также приводит к высоким (до 60% масс.) уровням загрязнения примесями продуктами износа мелющих тел. (3. Martin L. Panchula and Jackie Y. Ying MECHANICAL SYNTHESIS OF NANOCRYSTALLINE α>Al2O3 SEEDS FOR ENHANCED TRANSFORMATION KINETICS Nanostructured Materials. Vol. 9. pp. 161-164. 1997).

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ приготовления порошков из альфа-оксида алюминия, включающий мокрый помол гидроксида алюминия в течение 0-144 часов, во время которого образуются затравочные кристаллы из осколков мелющих тел размером 0,1-0,8 мкм в количестве до 23 масс. %, образовавшийся продукт прокаливают при 1100°С на воздухе в течение 2 часов и дезагируют путем помола в спирте в течение 17 часов. Для получения керамического материала полученный порошок альфа-окиси алюминия прессуют и спекают (4. Zhi-Peng Xie, Ji-Wei Lu, Yong Huang, Yi-Bing Cheng Influence of a-alumina seed on the morphology of grain growth in alumina ceramics from Bayer aluminum hydroxide Materials Letters 57 (2003) 2501-2508).

Недостатком данного технического решения является то, что полный фазовый переход в альфа-оксид алюминия осуществляется при 1100°С и приводит к крупнокристаллическим частицам, имеющим пластинчатую морфологию с размером частиц 0,45-0,75 мкм. Такой порошок не пригоден для формования и низкотемпературного (ниже 1600°С) спекания в плотный керамический материал.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в получении слабоагрегированного субмикронного порошка альфа-оксида алюминия с узким распределением сферических частиц по размерам, а именно от 0,1 до 0,3 мкм, пригодного для формования и низкотемпературного спекания плотной (не ниже 3,85 г/см3) алюмооксидной керамики при снижении энергозатрат.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе получения субмикронного порошка альфа-оксида алюминия, включающем обработку гидроксида алюминия, полученного способом Байера, в мельнице с затравочными частицами, сушку, прокаливание, дезагрегацию полученного порошка путем помола в органическом растворителе, в качестве затравки используют нанопорошок альфа-оксида алюминия с размером частиц менее 25 нм в количестве 1-5 масс. %, смесь гидроксида алюминия с затравкой обрабатывают методом сухого помола в шаровой мельнице с добавлением 20-30 масс. % гексана, с последующей сушкой на воздухе, прокаливанием при 900-950°С в токе воздуха.

Предпочтительно, принудительный поток воздуха над прокаливаемым материалом осуществляют в интервале температур 500-950°С.

Предпочтительно, скорость подъема температуры при прокаливании 300°С/час.

В предлагаемом техническом решении в качестве затравки используют механохимически синтезированный слабоагрегированный порошок альфа-оксида алюминия с размером частиц не более 25 нм [5. Karagedov and N.Z. Lyakhov, "Mechanochemical Grinding of Inorganic Oxides" KONA Powder and Particle, 21 (2003) 76-87]. Столь малый размер частиц позволяет использовать меньшее количество затравки (1-5 масс. %) по отношению к получаемому порошку, но при этом значительно увеличить число центров кристаллизации альфа-фазы, тем самым уменьшив разброс порошка продукта по размерам.

Из полученного порошка альфа-оксида алюминия можно непосредственно формовать изделия сухим одноосным или изостатическим прессованием и спекать его до плотности более 95% при 1350°С, следствием чего является сохранение среднего размера зерна в субмикронном диапазоне и повышение механических свойств керамического изделия.

Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются:

- используют в качестве затравки нанопорошок альфа-оксида алюминия с размером частиц до 25 нм в количестве не более 1-5 масс. %;

- смесь обрабатывают методом сухого помола в шаровой мельнице с добавлением 20-30 масс. % гексана в качестве вещества, предотвращающего агрегатообразование при помоле;

- прокаливание полученного и высушенного на воздухе прекурсора проводят при 900-950°С в токе воздуха.

Совокупность существенных отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу и не известна из существующего уровня техники.

Техническим результатом данного изобретения является получение порошка из частиц альфа-оксида алюминия сферической формы, слабоагрегированного, с узким распределением частиц по размерам, легко формуемого и спекаемого при температурах ниже 1400°С до плотности >97% от теоретически возможной, пригодного для получения прочной керамики.

Заявляемое техническое решение подтверждается приведенными ниже примерами.

Пример 1

75 г гидроксида алюминия со средним размером частиц 11 мкм (РУСАЛ, ТУ 1711-046-00196368-95) смешали с 0.5 г (1 масс. %) нанопорошка α-Al2O3 со средним размером частиц 20 нм, полученного по методу, описанному в [4], и содержащего 0,1 масс. % примесей, и 31 мл гексана (20 масс. %), используемого в качестве вещества, предотвращающего агрегатообразование при помоле. Полученную смесь подвергли механической обработке в шаровой мельнице в течение 24 часов, используя стальные шары 28 мм общим весом 1,5 кг. Полученный прекурсор затем сушили до полного испарения гексана на воздухе в течении 12 часов, после чего прокаливают в токе воздуха при температуре 900°С в течение 120 минут, поднимая температуру со скоростью 300°С/ час. Рентгенофазовый анализ показывает, что полученный порошок представляет собой Al2O3, содержащий не менее 98% альфа-оксида алюминия. По данным сканирующей электронной микроскопии размер первичных частиц составляет не более 320 нм. Полученный порошок подвергали мягкому размолу (дезагрегации) на шаровой мельнице в полимерном барабане шарами из диоксида циркония с добавлением 40 масс. % спирта в течение 1 часа.

После дезагрегации порошок прессуется при давлении 150 МПа до плотности 1,66 г/см3 и спекается при температуре 1350°С в течение 1,5 часов до плотности 3,41 г/см3. Дальнейшее спекание при 1540°С приводит к плотности 3,75 г/см3.

Пример 2

Пример осуществляют аналогично примеру 1, но затравку вводят в количестве 5 масс. %, а смесь обрабатывают сухим помолом с добавлением 26 масс. % гексана. Рентгенофазовый анализ показывает, что полученный порошок представляет собой Al2O3, содержащий 100% альфа-оксида алюминия. По данным сканирующей электронной микроскопии размер первичных частиц составляет не более 290 нм.

После дезагрегации порошок высушивается и прессуется сухим одноосным прессованием при давлении 150 МПа до плотности 2,23 г/см3 и спекается при температуре 1350°С в течение 1,5 часов до плотности 3,81 г/см3. Дальнейшее спекание при 1540°С приводит к плотности 3,85 г/см3.

Пример 3

Пример аналогичен примеру 2, только прокаливание проводят при температуре 950°С. Рентгенофазовый анализ показывает, что полученный порошок представляет собой Al2O3, содержащий 100% альфа-оксида алюминия. По данным сканирующей электронной микроскопии размер первичных частиц составляет не более 400 нм. Полученный порошок подвергали мягкому размолу на шаровой мельнице в полимерном барабане шарами из диоксида циркония с добавлением 30 масс. % спирта в течение 1 часа.

После испарения спирта, порошок прессуется при давлении 150 МПа до плотности 1,63 г/см3 и спекается при температуре 1350°С в течение 1,5 часов до плотности 3,70 г/см3. Дальнейшее спекание при 1540°С приводит к плотности 3,73 г/см3.

Пример 4

Пример аналогичен примеру 2, только прокаливание проводят без соблюдения вышеназванной скорости. Рентгенофазовый анализ показывает, что полученный порошок представляет собой Al2O3, содержащий 100% альфа-оксида алюминия. По данным сканирующей электронной микроскопии размер первичных частиц составляет не более 450 нм. Полученный порошок подвергали мягкому размолу (дезагрегации) на шаровой мельнице в полимерном барабане шарами из диоксида циркония с добавлением 40 масс. % спирта в течение 1 часа.

После испарения спирта, порошок прессуется при давлении 150 МПа до плотности 1,59 г/см3 и спекается при температуре 1350°С в течение 1,5 часов до плотности 3,57 г/см3. Дальнейшее спекание при 1540°С приводит к плотности 3,71 г/см3.

Пример 5

Пример аналогичен примеру 2, только принудительный поток воздуха над прокаливаемым материалом осуществляют в интервале температур 500-950°С. Рентгенофазовый анализ показывает, что полученный порошок представляет собой Al2O3, содержащий 100% альфа-оксида алюминия. По данным сканирующей электронной микроскопии размер первичных частиц составляет не более 290 нм. На фиг. 1 представлен внешний вид полученного порошка по данным сканирующей электронной микроскопии.

После дезагрегации порошок высушивается и прессуется сухим одноосным прессованием при давлении 150 МПа до плотности 2,27 г/см3 и спекается при температуре 1350°С в течение 1,5 часов до плотности 3,86 г/см3. Дальнейшее спекание при 1540°С приводит к плотности 3,89 г/см3.

Либо полученный порошок прессуется холодным изостатическим способом при давлении 200 МПа до плотности 2,36 г/см3 и спекается при температуре 1350°С в течение 1,5 часов до плотности 3,87 г/см3. Микротвердость по Виккерсу данного материала HV500=17,8 ГПа. Дальнейшее спекание при 1540°С приводит к плотности 3,89 г/см3.

1. Способ получения субмикронного порошка альфа-оксида алюминия, включающий обработку гидроксида алюминия, полученного способом Байера, в мельнице с затравочными частицами, сушку, прокаливание, дезагрегацию полученного порошка путем помола в органическом растворителе, отличающийся тем, что в качестве затравки используют нанопорошок альфа-оксида алюминия с размером частиц менее 25 нм в количестве 1-5 масс. %, смесь гидроксида алюминия с затравкой обрабатывают методом сухого помола в шаровой мельнице с добавлением 20-30 масс. % гексана, с последующей сушкой на воздухе, прокаливанием при 900-950°С в токе воздуха.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принудительный поток воздуха над прокаливаемым материалом осуществляют в интервале температур 500-950°С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость подъема температуры при прокаливании 300°С/час.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к способу получения прекурсора для синтеза лейкосапфира. Предложенный способ заключается в том, что смесь гидраргиллита с 1÷15 мас.% электрокорунда с размером зерна от 10 до 50 мкм заливают 0,5÷2 мас.% водного раствора соляной кислоты и размешивают до образования композиции из однородной дисперсной фазы, композицию помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную обработку при температуре 180÷220°С в течение 4÷26 часов, полученную смесь образовавшегося и электрокорунда сначала греют в муфельной печи на воздухе при температуре не выше 1200°С до полного удаления влаги, далее переносят в вакуумную печь, нагревают и выдерживают при температуре от 1700 до 1800°С в течение 1÷2 часов, полученную керамику затем охлаждают до образования прекурсора.
Изобретение может быть использовано при изготовлении огнеупорных материалов, абразивов. Для получения плавленого корунда смешивают исходные компоненты, зажигают шихту и инициируют процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Изобретение относится к способу получения высокодисперсной алюмоциркониевой оксидной системы. Способ включает анодное растворение металлического алюминия в растворе хлорида натрия с концентрацией 29±0,5 г/л в коаксиальном электролизере с отличающимися на два и более порядка площадями электродов при анодной плотности тока 20-160 А/м2 в присутствии ионов циркония в количестве, обеспечивающем содержание оксида циркония в образующемся осадке от 5 до 20 мас.%, выдерживание полученного осадка в маточном растворе в течение не менее 48 часов, фильтрацию и сушку осадка.

Изобретение относится к частицам расклинивающего наполнителя для гидравлического разрыва подземного пласта. Способ изготовления частиц расклинивающего наполнителя включает изготовление суспензии керамического сырьевого материала, включающей реагент, содержащий полисахарид, характеризующейся содержанием твердой фазы приблизительно от 25 до 75 вес.%, формирование капель суспензии пропусканием суспензии через сопло при подвергании ее вибрации, при скорости пропускания приблизительно от 0,2 до 3 кг/ч, приведение капель суспензии в контакт с поверхностью жидкости, содержащей коагулянт, извлечение капель из жидкости, высушивание капель с образованием отформованных гранул и спекание гранул в температурном интервале с формированием частиц расклинивающего наполнителя.

Изобретение относится к производству проппантов - расклинивающих гранул, применяемых при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта. Технический результат - уменьшение плотности проппанта и использование техногенных отходов при производстве проппантов.

Изобретение относится к производству огнеупорных масс, которые могут быть использованы для футеровки тепловых агрегатов. Технический результат заключается в повышении огнестойкости покрытия.

Изобретение относится к операциям обработки скважин с использованием реагентов. Композит для обработки скважин, содержащий реагент для обработки скважин и обожженный пористый оксид металла, где пористость и проницаемость обожженного пористого оксида металла является такой, что реагент для обработки скважин адсорбируется во внутрипоровых пространствах пористого оксида металла, и кроме того: площадь поверхности обожженного пористого оксида металла составляет от приблизительно 1 м2/г до приблизительно 10 м2/г, диаметр частиц 0,1 3 мм и объем пор указанного оксида металла от 0,01 до 0,10 см3/г.

Изобретение относится к фильерам для изготовления стекловолокна. Технический результат изобретения заключается в уменьшении деформации фильеры в процессе ее эксплуатации.

Изобретение относится к составам материалов для атомной энергетики, в частности к однофазному керамическому оксидному жертвенному материалу, включающему Fe2O3, Al2O3, SrO.

Изобретение касается плавленого литого огнеупорного материала на основе оксида алюминия, диоксида циркония и диоксида кремния (АЦК) и может быть использовано в плавильных резервуарах в контакте с расплавленным стеклом, а также в верхней части и на своде резервуаров.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к способу и установке получения термоактивированного неметаллургического глинозема. Способ включает подачу исходного гидроксида алюминия в бункер, его дозирование, загрузку, сушку во взвешенном состоянии, разделение обрабатываемой массы на фазы, термообработку и дегидратацию, охлаждение и выгрузку готового продукта.
Изобретения могут быть использованы в химической и электронной промышленности. Способ получения α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира включает этап, на котором смешивают 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) и 25-235 массовых частей α-оксида алюминия (II).
Изобретение может быть использовано в химической и электронной промышленности. Объем на одну частицу α-оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира составляет не менее 0,01 см3, относительная плотность не менее 80%, объемная плотность агрегата 1,5-2,3 г/см3, и его форма представляет собой любую форму из сферической формы, цилиндрической формы и брикетоподобной формы.

Изобретение относится к способу получения оксида алюминия в виде порошков или агломератов с частицами, имеющими сотовую пористую структуру. Способ включает обработку соли алюминия раствором щелочного реагента, промывку осадка и его термообработку.

Изобретение относится к технологии получения оксидов алюминия, которые используются для производства лейкосапфира, имеющего широкую область применения: при изготовлении подложек микросхем, светодиодов и лазерных диодов, имплантов и искусственных суставов, микроскальпелей, защитных стекол, ювелирных изделий, а также при изготовлении огнеупорных изделий и при производстве катализаторов и сорбентов.
Изобретение относится к катализатору и способу селективного гидрирования полиненасыщенных углеводородных соединений, присутствующих в нефтяных фракциях, преимущественно происходящих из парового или каталитического крекинга, в соответствующие алкены.
Изобретение относится к области химии и может быть использовано в производстве малощелочного глинозема, полученного из карбонизационного или декомпозиционного гидроксида алюминия.

Изобретение относится к способам получения гранулированного высокоактивного нанопористого оксида алюминия, используемого в качестве адсорбента-осушителя в процессах осушки газов: водородсодержащего, природного и др.
Изобретение относится к области химии, в частности к порошку -оксида алюминия, подходящему для получения сапфира. .

Изобретение относится к абразивному порошковому материалу, представляющему собой частицы оксида алюминия, содержащему переходный оксид алюминия и не менее 5.0 вес.%, но не более 40 вес.% аморфной фазы, причем частицы оксида алюминия имеют плотность менее 3,20 г/см3; к абразивной суспензии, содержащей воду в качестве растворителя и указанный абразивный порошковый материал в количестве от 3,0 вес.% до не более 30 вес.%.

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Для размола порошка обрабатывают исходный железосодержащий материал в мельнице.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2016-06-09 2017-07-21T16:50:09
Наверх