(毕业论文)铝热还原氮化Al2O3法合成AlON粉体及其透明陶瓷制备和物性研究.doc

(γ-AlON,以下简称AlON)是Al2O3-AlN体系中的一个稳定存在的单相、立方的固溶体结构。由于结构的各向同性,可以制备出多晶AlON透明陶瓷,其性能和目前认为光学和力学性能都最好的Al2O3单晶窗口材料相近,物理和化学性能优异,是红外窗口、整流罩和透明装甲等的优选材料,具有很大的应用潜力和广阔的应用前景;它可以采用传统高温烧结法来制备,可规模化生产大尺寸产品,而且制造成本较低。就目前的研究现状来看,国外(尤其是美国)已经制备出高性能AlON陶瓷样品并展开了实际应用,我国在此领域的起步较晚,尚未掌握高透明、大尺寸陶瓷制备的核心技术。另外,就目前国际研究来看,还存在由于AlON材料的结构复杂性等因素造成的制备难度很大,粉体合成温度和陶瓷烧结温度很高和对其研究的热力学数据不足、相图不完善等问题,因此开展对AlON透明陶瓷的制备和相关问题的研究具有重要的学术意义和实际的应用价值。本论文通过改进的铝热还原氮化Al2O3法来制备AlON粉体,研究中以Al和Al2O3为原料,系统研究了该方法的制备工艺和影响因素,并确定了高性能、单相AlON粉体的合成工艺,同时对合成中的相关机理问题进行了研究;对自制AlON粉体的成型和烧结进行了研究,获得了透明AlON陶瓷的制备工艺,并通过改进工艺获得了高透明AlON样品,分析了陶瓷的烧结致密化过程和烧结助剂的烧结促进机理;对合成样品的光学透过率、物相组成、致密度、微观形貌、力学性能(硬度、弯曲强度等)和氧化行为等进行了测试分析。取得了如下研究结果:AlON粉体的合成采用铝热氮化还原Al2O3法,以微米级的Al粉和纳米级的Al2O3粉为原料,原料粉体在N2气氛保护(而非WeifangMiao提出的NH3气氛保护)下球磨24h后,在高温下焙烧进行了AlON粉体的合成。研究表明:合成温度、Al粉和Al2O3粉的配比均影响AlON的合成。满足化学配比的原料不能合成出单相AlON粉体,%时,Al2O3采用NH4Al(SO4)2·12H2O热解法自制粉体(粒径约30nm,粒度分布范围宽),在N2气氛中,在1800℃煅烧3小时可以合成出单相AlON粉体,合成出的粉体的化学式为Al5O6N。分析认为,粉体的铝热还原氮化过程可分为三个阶段,低温阶段(室温-660℃)、中温阶段(660℃-1550℃)和高温阶段(1550℃-1800℃),分别发生了Al粉受热熔化、Al粉氮化生成AlN以及Al2O3和AlN固溶合成AlON的过程。反应过程中首先生成AlN,然后再发生Al2O3和AlN的合成。AlON相的出现大致从1625℃(1893K)开始,并且从1650℃反应速度开始加快,在1800℃煅烧3小时反应完全。热力学分析得出Al5O6N粉体的相转变温度为1887K,和实验研究接近。AlON相转变之前,Al始终存于不稳定的状态,且由于反应气氛的影响,其以向AlN的转变为主,但此时炉内气氛一直处于Al2O3稳定区,因此Al优先和气氛中残余的O2反应生成Al2O3,初始阶段粉体中Al2O3的含量会增加;AlON相转变温度点后,AlON稳定区极窄,因此反应需要高温度和长保温时间。且AlON和AlN的稳定区随温度的升高而增大,Al2O3的稳定区减小。在此温度区间,一方面Al2O3会以Al2O形式挥发,另一方面Al2O3会受气氛中C的影响而还原成AlN,因此高温下AlN的含量要增加,造成化学配比的原料合成不了单相AlON。反应动力学分析认为,AlON的铝热还原氮化Al2O3法合成反应是由扩散控制为主的反应,反应的速率主要由阴离子,尤其是N离子迁移速度决定,使AlON合成需要高温和长保温时间。铝热还原氮化过程使用的纳米级Al2O3和生成的小粒径AlN方便了N离子的迁移和O离子的迁入,反应截面的增大,使铝热还原氮化具有高反应活性。市售的颗粒分布均匀的纳米Al2O3(平均粒径约为20nm)作为原料可使合成温度降低100℃左右。采用不同配比α和γ相混合的市售Al2O3为原料会影响单相AlON的合成温度,当R(α-Al2O3占总Al2O3的比例)为0,,