專利名稱：一種單粒徑球形超細(xì)Al₂O₃粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種A1203粉體的制備方法，尤其涉及一種單粒徑球形超細(xì) A1203粉體的制備方法；該方法能夠合成出滿足微電子元件要求的單粒徑球形超細(xì)八1203粉體。
背景技術(shù)：
隨著新技術(shù)革命的興起和發(fā)展，對(duì)高性能無機(jī)非金屬材料研究的深入，性能 優(yōu)異的粉體原料日益顯示出其重要性。氧化鋁具有高強(qiáng)度、高硬度、熱膨脹系數(shù) 小、耐腐蝕和耐磨等優(yōu)良的物理化學(xué)性能，是迄今工業(yè)中用量最大的陶瓷材料之 一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氧化鋁粉正被廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷、催化材料、光、電、磁和熱 等功能材料，對(duì)電子、化工、冶金、航空航天和生物醫(yī)學(xué)以及國(guó)防事業(yè)等相關(guān)行 業(yè)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，對(duì)電子陶瓷元 器件提出了高可靠性、多功能、微型化的要求，如作為多層電容器的電子陶瓷元件要求尺寸應(yīng)小于10pm，多層基片應(yīng)小于100nm，而且要有良好的物理結(jié)構(gòu)。 常規(guī)粉末的非均勻性與顆粒尺寸成正比，而且粉末的大小影響著陶瓷元件表面的 粗糙度，進(jìn)而影響陶瓷表面金屬化導(dǎo)體層的連續(xù)性和均勻性。因此要保證元件有 良好的物理性結(jié)構(gòu)，1 大小的常規(guī)粉末難達(dá)到這樣的要求。實(shí)踐證明，實(shí)現(xiàn) 原料的高純、超細(xì)和均勻化是達(dá)到上述目的的關(guān)鍵措施之一。為了滿足上述要求， 就希望得到具有下述性能的粉體原料(l)相對(duì)較小的粒度和較窄的粒度分布，(2) 顆粒形貌可控。到目前為止，制備超細(xì)八1203粉體的方法主要有固相法、液相法和氣相法。 其中，氣相法是以氣體為原料，在氣相中通過化學(xué)反應(yīng)形成物質(zhì)的基本離子，再 經(jīng)過成核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段合成薄膜、粒子和晶體等。氣相法的優(yōu)點(diǎn)在易于控制反 應(yīng)條件，產(chǎn)品純度高，適合高純材料的合成；同時(shí)在工藝中可以精確控制和調(diào)節(jié) 操作條件，能以相同的原料合成晶型和晶體各異的材料。氣相法制備超細(xì)八1203的缺點(diǎn)是不容易收集粉末，所得Al203的產(chǎn)率較低。固相法也是鋁粉燃燒法。利用粒徑小于40 )am的鋁粉在氧氣與丙垸的火焰中 燃燒。固相法具有成本低、產(chǎn)量大、制備工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，尤其適合在對(duì)最終產(chǎn) 品粒徑要求不高的場(chǎng)合下使用；固相法的缺點(diǎn)是能耗較大，效率低，產(chǎn)品粒徑不
夠微細(xì)，粒子易氧化變形，產(chǎn)物中有少量Al包裹在Al203粉末中，粉末的收集 比氣相法還困難。液相法是目前實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上普遍采用的合成超細(xì)粉體的方法，在金屬鹽溶 液中，加入適當(dāng)?shù)某恋韯┑玫匠恋?，再將此沉淀煅燒形成納米陶瓷粉末的方法。 它的優(yōu)點(diǎn)是添加微量有效成分就可以精確控制化學(xué)組成；所制備的超細(xì)產(chǎn)品材料 表面活性高；操作溫度較低，工業(yè)化成本較低，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單；所得粉末粒徑與 氣相法相當(dāng)，產(chǎn)率高于氣相法，產(chǎn)品收集容易；尤其可以制備得到微觀尺寸上成 分均勻的復(fù)合粉體材料，這是其它方法很難做到的。但是該方法制備過程中影響 因素較多，形成分散粒子的條件苛刻。超聲波是頻率范圍在20-106 kHz的機(jī)械波。利用超聲波來加速化學(xué)反應(yīng)或啟 動(dòng)新的反應(yīng)途徑是一門新興的交叉學(xué)科，即聲化學(xué)(王俊中,胡源.稀有金屬材料與 工程,2003,32(8):585-590)。聲化學(xué)主要是利用超聲空化作用釋放的能量及其產(chǎn)生 的特殊環(huán)境。所謂聲空化作用是指在超聲場(chǎng)中液體內(nèi)空泡(或氣泡、汽泡)的形成、 振蕩、擴(kuò)大、收縮、崩潰的過程，空化泡崩潰時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)在空化泡周圍 的極小空間內(nèi)，產(chǎn)生5000 K以上的高溫和50 MPa的高壓，溫度變化率高達(dá)109 K/s， 同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和高速的微射流，構(gòu)成了物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)和物理變化的特殊 環(huán)境(A.Gedanken.Ultrason.Sonochem.,2004，ll:47-55)。聲化學(xué)是目前化學(xué)研究的 前沿之一，近年來，聲化學(xué)領(lǐng)域的研究異?；钴S。目前，利用超聲化學(xué)法合成陶 瓷材料的研究還比較少。劉東亮等人(陶瓷，2006， (7): 22-25)使用硝酸鋁和碳酸氫氨在超聲的作用 下制備納米氧化鋁。該方法將分析純的A1(N03)3 9H20和NH4HC03用去離子水 分別在2個(gè)燒杯中配成一定濃度的溶液，在A1(N03)3溶液中加入7 wt。/。的PEG6000 攪拌溶解，然后把裝有Al(NO3)3和PEG6000的燒杯置于超聲波清洗器中，開啟后 迅速倒入NH4HC03溶液，15 min后抽濾分離沉淀，用無水乙醇洗滌2次，然后再 干燥，在900 GC下進(jìn)行煅燒后把粉末放在無水乙醇中研磨，接著用超聲波分散 40min，干燥后即得納米Al203粉末。然而，該方法過程復(fù)雜，使用有機(jī)溶劑或有 機(jī)反應(yīng)物使得生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)物形貌不可控、粒度分布較寬，不適合工業(yè)化生 產(chǎn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)過程復(fù)雜、產(chǎn)成本較高，產(chǎn)物形貌不可控、
粒度分布較寬、產(chǎn)率較低等不足而提供一種快速簡(jiǎn)單制備單粒徑球形超細(xì)A1203 粉體的方法，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)電子陶瓷元器件原料的高純、超細(xì)和均勻化目標(biāo) 的方法，來滿足對(duì)電子陶瓷元器件提出的高可靠性、多功能、微型化的要求。本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種制備單粒徑球形超細(xì)Al203粉體的方法，其具體 步驟為A. 在反應(yīng)器中配制Al3+的摩爾濃度為0.01~0.1 M的鋁的水溶性鹽溶液，然 后在該溶液中加入尿素；B. 使用超聲波對(duì)上述溶液進(jìn)行處理，加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，過濾、洗滌、 千燥，得到單粒徑球形超細(xì)Al(OH)3粉體，C. 將上述A1(0H)3粉體煅燒，得到單粒徑球形超細(xì)Al203粉體。 其中所述的Ap+的水溶性鹽溶液優(yōu)選為A12(S04)3和A1(N03)3的混合溶液，其中A12(S04)3和A1(N03)3的摩爾比為0.2-1 。其中步驟A中尿素的加入量控制 (NH3)2CO]/[Al3+]=10~ 100 。步驟B中超聲波的功率為400W 2000W，反應(yīng)溫度約為80 100 QC，反應(yīng) 時(shí)間為80分鐘~2小時(shí)。本發(fā)明使用的超聲波發(fā)生器優(yōu)選由寧波新芝生物科技股 份有限公司生產(chǎn)的超聲波細(xì)胞破碎類儀器。步驟C中煅燒溫度為400 1200GC，煅燒時(shí)間為l 2h。本發(fā)明所制得的單 粒徑球形超細(xì)A1203粉體平均粒徑在40- 500 nm之間。有益效果1、 通過該發(fā)明所制備的單粒徑高分散球形超細(xì)氧化鋁粉末具有粒徑可調(diào) (40-500nm)、粒度分布較窄(單粒徑)、球形等優(yōu)點(diǎn)。2、 使用該方法過程簡(jiǎn)單，不使用有機(jī)溶劑或有機(jī)反應(yīng)物使得生產(chǎn)成本降低， 適合工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為實(shí)例1所得Al(OH)3粉體的SEI圖。 圖2為實(shí)例1所得八1203粉體的SEI圖。圖3為實(shí)例1所得Al203粉體的粒度分布圖，其中橫軸代表顆粒尺寸，縱軸 代表光強(qiáng)。圖4為單粒徑球形超細(xì)Al203粉體的XRD圖，其中橫軸代表衍射角，縱軸 代表強(qiáng)度。
圖5為實(shí)例2所得Al(OH)3粉體的SEI圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:按配比([八12(504)3]=1.77 mM， [Al(N03)3]=6.46 mM, [(NH3)2CO]=0.2 M)配制 Al2(S04)3和A1(N03)3的混合溶液200ml，將超聲探頭插入混合液中，啟動(dòng)超聲 處理，超聲起始功率為400W ，超聲時(shí)間100min，在此過程中溶液溫度會(huì)緩慢 上升到約為90GC。反應(yīng)結(jié)束后過濾沉淀，用去離子水洗滌沉淀3次，放入烘箱 100 QC干燥得到單粒徑球形超細(xì)Al(OH)3粉體，然后把得到的粉體在500 ^焙 燒2小時(shí)得到單粒徑球形超細(xì)A1203粉體。取少許Al(OH)3粉體置于30ml乙醇中，在超聲波清洗機(jī)中超聲分散5min。 滴于銅質(zhì)樣品臺(tái)上，使用日本電子的JSM-5900型掃描電鏡觀察顆粒形貌及其顆 粒大小，如圖l(掃描電鏡二次電子像SEI)。同樣的程序，可以得到所得Al203粉體的SEI，如圖2所示。用美國(guó)Brookhaven公司的ZetaPALS型zeta電位儀測(cè)量所得單粒徑球形超 細(xì)Al203粉體的粒徑和粒度分布，結(jié)果如圖3所示。對(duì)得到的粉體進(jìn)行X射線衍射分析，表明為a-Al203，如圖4所示。實(shí)施例2:按配比(〖A12(S04)3]=25 mM, [Al(NO3)3]=50 mM, [(NH3)2CO]=l M)配制 A1"S04)3和A1(N03)3的混合溶液200ml，其他步驟與實(shí)例1所述相同。將超聲 探頭插入混合液中，啟動(dòng)超聲處理，超聲起始功率為1600W ，超聲時(shí)間80min， 在此過程中溶液溫度會(huì)緩慢上升到約為100 GC。反應(yīng)結(jié)束后過濾沉淀，用去離子 水洗漆沉淀4次，放入烘箱100 QC干燥得到單粒徑球形超細(xì)Al(OH)3粉體，然 后把得到的粉體在1000 QC焙燒1小時(shí)得到單粒徑球形超細(xì)Al203粉體。取少許Al(OH)3粉體置于30ml乙醇中，在超聲波清洗機(jī)中超聲分散5min。 滴于銅質(zhì)樣品臺(tái)上，使用日本電子的JSM-5900型掃描電鏡觀察顆粒形貌及其顆 粒大小，得到的A1(0H)3粉體的SEI，如圖5所示。
權(quán)利要求
1、一種單粒徑球形超細(xì)Al2O3粉體的制備方法，其具體步驟為A.在反應(yīng)器中配制Al3+摩爾濃度為0.01～0.1M的鋁的水溶性鹽溶液，然后在該溶液中加入尿素；B.使用超聲波對(duì)上述溶液進(jìn)行處理，加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，過濾、洗滌、干燥，得到單粒徑球形超細(xì)Al(OH)3粉體；C.將上述Al(OH)3粉體煅燒，得到單粒徑球形超細(xì)Al2O3粉體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟A中所述的鋁的水溶性鹽 溶液為A12(S04)3和A1(N03)3的混合溶液，其中A12(S04)3和A1(N03)3的摩爾 比為0.2~1。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟A中尿素的加入量控制 (NH3)2CO]/[A13+]=10~100。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟B中超聲波的功率為 400W 2000W，反應(yīng)溫度為80 100 GC，反應(yīng)時(shí)間為80分鐘~2小時(shí)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟C中煅燒溫度為 400~1200GC，煅燒時(shí)間為l 2h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Al₂O₃粉體的制備方法，尤其涉及一種單粒徑球形超細(xì)Al₂O₃粉體的制備方法，其具體步驟為在反應(yīng)器中配制Al³⁺的摩爾濃度為0.01～0.1M的鋁的水溶性鹽溶液，然后加入尿素； 使用超聲波對(duì)上述溶液進(jìn)行處理，加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，過濾、洗滌、干燥，得到單粒徑球形超細(xì)Al(OH)₃粉體；再將Al(OH)₃粉體煅燒，得到單粒徑球形超細(xì)Al₂O₃粉體。通過該發(fā)明所制備的單粒徑高分散球形超細(xì)氧化鋁粉末具有粒徑可調(diào)、粒度分布較窄、球形等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01F7/00GK101164888SQ200710132640
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月17日
發(fā)明者紅 劉, 劉云飛, 呂憶農(nóng), 峰 徐, 明 徐, 戴沈華, 施書哲 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)