專利名稱：一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法
技術領域：
本發明屬于無機非金屬材料制備領域，尤其是涉及一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法。
背景技術：
尖晶石既是續招尖晶石(MgAl2O4)礦物的名稱,又是有相同結晶結構礦物的總稱，其在自然界中廣泛存在。鎂鋁尖晶石結構屬于立方晶系，面心立方點陣，Fd3m空間群。鎂鋁尖晶石的飽和結構決定其具有優異的性能，如熔點高(2135°C )，耐蝕、耐磨性好，化學穩定性高,而且其絕緣性好,熱膨脹系數小,硬度高。它的物理性質介于Al2O3和MgO晶體的物
理性質之間。由于獨特的結構和優良的性能，鎂鋁尖晶石單晶在微波段用作聲波器件的傳聲介質材料。用它制作的微波延遲線的插入損耗要比用藍寶石或石英介質制作的低，因為在微波段(IOGHz以上的頻段)MgAl2O4單晶的聲衰減比藍寶石或石英低得多。用MgAl2O4單晶為介質制作的微波聲體波器件適用于微波雷達、脈沖雷達、目標顯示系統、穩頻系統和電子對抗系統等。鎂鋁尖晶石透明多晶陶瓷。鎂鋁尖晶石具有優良的電絕緣性，并且與Si的匹配性能好，其線膨脹系數與Si相近，因而外延形成Si膜的形變小，是一種重要的集成電路襯底材料。以其作為襯底的集成電路具有開關速度快、頻率高、漏電小、易于制作場效應管和制作高速低功耗的互補電路、抗輻照能力強等優點。透明尖晶石多晶陶瓷具有立方結構，制備這種多晶材料沒有像非立方結構材料所固有的嚴重散射問題，在微波范圍內，尖晶石的各向同性可以避免局部吸收在非立方結構材料中因不同晶界取向以及各向異性的介電系數所產生的熱量而引起的相變問題；其次，由于鎂鋁尖晶石透明陶瓷是陶瓷，其形狀大小都具有可塑性。由此可見鎂鋁尖晶石多晶陶瓷有良好的光學透過率，并且耐磨損，耐腐蝕，耐高溫，抗沖擊，有較高的硬度和抗彎強度，同時還具有十分優良的電絕緣性能和化學穩定性，因此它在紅外激光窗口、高溫窗口以及在高溫或強輻照下工作的照相鏡頭、核反應堆窗口、光電子等領域有廣闊的應用前景。尖晶石陶瓷還可用作遠紅外波段窗口材料，以適應導彈制導系統多種制導方式的要求。要制備上述高性能的鎂鋁尖晶石單晶或透明多晶陶瓷材料，沒有性能優良的鎂鋁尖晶石粉體是不可能的。能夠達此目的的粉體原料的基本條件是化學純度高、相純度高、顆粒均勻而細微。制造鎂鋁尖晶石粉體的方法主要有兩類一是傳統的高溫固相反應法，二是液相法，各有利弊。前者工藝簡單，溫度高(一般要高于1400 1600°C)能耗高，產量大，顆粒粗大不均勻(一般在數十微米以上);后者工藝精細、技術繁瑣，生產周期長，成本高。固相反應法的簡單易行是其它方法無法比擬的，如果能夠克服焙燒溫度過高、產物顆粒粗大不均勻之弊端，仍不失為最有實際意義的制造技術
發明內容
本發明的目的在于改進已有技術的不足而提供一種使用含氟化合物作為礦化劑、對氧化鋁(或氫氧化鋁)與氧化鎂(或氫氧化鎂)粉體高溫下進行固相反應時有效控制、反應溫度低、能夠制得純相或幾乎純相的鎂鋁尖晶石粉體、且粉體的化學純度能夠保持與固相反應前相同的水平、粉體粒度在微米級或亞微米級、粉體的原級顆粒形貌有時呈現規則的正八面體形狀的低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法。本發明的目的是這樣實現的，一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特點是該方法包括以下步驟
(1)按鎂鋁尖晶石化學計量比稱取含鋁、鎂原料；
(2)將稱取的原料采用干法預處理、濕法預處理、鹽類水解法預處理或者鹽類沉淀法預處理中的一種，進行原料預處理，其中
所述的干法預處理是加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物到稱取的原料中，充分混合、攪拌、研磨或機械力化學處理，得到的混合物粉狀物稱為前驅體；
所述的濕法預處理是加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物到稱取的原料中，充分混合、攪拌、研磨或機械力化學處理，得到的混合物粉狀物，向混合物粉狀物中加入59^10%液體分散介質、在含氟化合物作用下進行攪拌、分散、混合得到的產物，在低于60 V的條件下干燥，得到粉狀物稱為前驅體；
所述的鹽類水解法預處理是稱取原料為水溶性或醇溶性含鎂鋁化合物，將原料放入容器中，加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物，加入水和調節體系pH值用的試劑調節體系PH值處于擴14之間，并不斷攪拌使其轉變為Mg(OH)2與Al (OH)3的濕混合物，將其在低于60°C的條件下干燥處理，得到粉狀物稱為前驅體；
所述的鹽類沉淀法預處理是稱取原料為水溶性或醇溶性含鎂鋁化合物，將原料放入容器中，加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物，加入水和沉淀劑使鋁離子、鎂離子生成沉淀或膠體顆粒，并不斷攪拌使其充分反應，從而轉變為氫氧化物、不溶性鹽類或它們的混合物的濕物料，然后將濕物料在低于60°C的條件下干燥處理，得到粉狀物稱為前驅體；
(3)將前驅體在900°C 1200°C的條件下進行熱處理或者焙燒，得到分散性較好、純相鎂鋁尖晶石粉體，部分顆粒呈現正八面體形狀。為了進一步實現本發明的目的，可以是所述的含氟化合物是指對形成純相尖晶石粉體起決定或促進作用的含氟化合物，包括氟化鋁(AlF3)、氟化銨(NH4F)、氟化氫(HF)以及它們的水合物、水溶液和醇溶液。為了進一步實現本發明的目的，可以是所述的液體分散介質是指各種水或者無毒、無污染、含碳原子(C)數目為2 4的脂肪醇或低碳醇，以及兩者的混合物。為了進一步實現本發明的目的，可以是所述的沉淀劑是能與鋁離子(Al3+)、鎂離子(Mg2+)形成沉淀、不含各種金屬元素或通過水洗方式能夠除去的、通過高溫焙燒可以分解成氣體而釋放出去的各種試劑。為了進一步實現本發明的目的，可以是所述的調節體系pH值用的試劑包括氨水、尿素、有機胺，上述試劑可以單獨使用，也可以混合使用。為了進一步實現本發明的目的，可以是所述的沉淀劑包括氨水、尿素、碳酸、二氧化碳、草酸，上述試劑可以單獨使用，也可以混合使用。為了進一步實現本發明的目的，可以是所述的低于60°C的條件下干燥處理是指在60°C以下溫度下，對流、輻射和熱傳導三種熱能傳遞方式設計的干燥過程。為了進一步實現本發明的目的，可以是所述的熱處理是指能夠發生固相化學反應生成尖晶石相的溫度、保溫時間和過程，溫度范圍為900°C 1200°C，保溫時間為0. 5 24小時。為了進一步實現本發明的目的，可以是所涉及的原料和產物的質量百分比純度不低于95%。本發明含鎂鋁化合物原料量是根據容器的容積選取的，一般來說物料體積占容器容積的三分之一 三分之二。本發明采用的含鋁原料為含鋁元素的任何原料，含鎂原料為含鎂元素的任何原料。本發明生成產物的粒度的大小與合成溫度主要由前驅物顆粒大小、預處理工藝過程來決定，同時由熱處理或焙燒工藝得以實現，二者缺一不可。本發明與已有技術相比具有以下顯著特點和積極效果對無機非金屬粉體材料的制備技術，主要追求的有三點一是純度的控制；二是粒度的控制；三是合成溫度的控制；這三點一般情況下是相互關聯的，有時又相互制約著，利用固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體同樣面臨相同的問題，為保證產物的純度，就要盡量避免添加控制粒度和降低合成溫度的添加劑；而控制粒度、降低焙燒溫度最有效的方法又只能靠添加劑，本發明是使用含氟化合物作為礦化劑，向含鎂鋁原料中、或其鹽類水解形成氫氧化物沉淀中、或加入沉淀劑形成不溶物中加入少量的含氟化合物和液體分散介質，也可不使用任何分散介質，經過簡單的混合、攪拌、分散、研磨或者溶劑熱處理，在90(TC 120(TC左右的溫度下，氧化鎂(或氫氧化鎂)粉體與氧化鋁(或氫氧化鋁)粉體或者通過簡單的水解、共沉淀、熱分解反應生成鎂鋁混合粉體，發生固相化學反應生成純相或幾乎純相的鎂鋁尖晶石粉體的制造方法，顆粒尺寸范圍為微米級、亞微米級。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。圖I為為采用本發明方法制得的純相鎂鋁尖晶石粉體的X射線衍射分析圖譜。圖2為采用本發明方法制得的分散性較好的、純相鎂鋁尖晶石粉體的原級顆粒形貌不同放大倍數的SEM圖像。
具體實施例方式實施例1，一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，是稱取21. 15克一水鋁石(A100H)、5克的氧化鎂(MgO)JP I克A1F3_3. 5H20于陶瓷質研缽中，研磨得到松散的粉狀物，在高溫爐中于900°C 1200°C下保溫3小時，得到部分原級顆粒為(近)正八面體晶體的純相鎂鋁尖晶石粉體，高溫固相反應
權利要求
1.一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是該方法包括以下步驟 (1)按鎂鋁尖晶石化學計量比稱取含鋁、鎂原料； (2)將稱取的原料采用干法預處理、濕法預處理、鹽類水解法預處理或者鹽類沉淀法預處理中的一種，進行原料預處理，其中 所述的干法預處理是加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物到稱取的原料中，充分混合、攪拌、研磨或機械力化學處理，得到的混合物粉狀物稱為前驅體； 所述的濕法預處理是加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物到稱取的原料中，充分混合、攪拌、研磨或機械力化學處理，得到的混合物粉狀物，向混合物粉狀物中加入59^10%液體分散介質、在含氟化合物作用下進行攪拌、分散、混合得到的產物，在低于60°C的條件下干燥，得到粉狀物稱為前驅體； 所述的鹽類水解法預處理是稱取原料為水溶性或醇溶性含鎂鋁化合物，將原料放入容器中，加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物，加入水和調節體系pH值用的試劑調節體系PH值處于擴14之間，并不斷攪拌使其轉變為Mg(OH)2與Al (OH)3的濕混合物，將其在低于60°C的條件下干燥處理，得到粉狀物稱為前驅體； 所述的鹽類沉淀法預處理是稱取原料為水溶性或醇溶性含鎂鋁化合物，將原料放入容器中，加入原料重量0. 1% 10%的含氟化合物，加入水和沉淀劑使鋁離子、鎂離子生成沉淀或膠體顆粒，并不斷攪拌使其充分反應，從而轉變為氫氧化物、不溶性鹽類或它們的混合物的濕物料，然后將濕物料在低于60°C的條件下干燥處理，得到粉狀物稱為前驅體； (3)將前驅體在900°C 1200°C的條件下進行熱處理或者焙燒，得到分散性較好、純相鎂鋁尖晶石粉體，部分顆粒呈現正八面體形狀。
2.根據權利要求I所述的一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是所述的含氟化合物是指對形成純相尖晶石粉體起決定或促進作用的含氟化合物，包括氟化鋁(AlF3)、氟化銨(NH4F)、氟化氫(HF)以及它們的水合物、水溶液和醇溶液。
3.根據權利要求I所述的一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是所述的液體分散介質是指各種水或者無毒、無污染、含碳原子(C)數目為2 4的脂肪醇或低碳醇，以及兩者的混合物。
4.根據權利要求I所述的一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是所述的沉淀劑是能與鋁離子(Al3+)、鎂離子(Mg2+)形成沉淀、不含各種金屬元素或通過水洗方式能夠除去的、通過高溫焙燒可以分解成氣體而釋放出去的各種試劑。
5.根據權利要求I所述的一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是所述的調節體系PH值用的試劑包括氨水、尿素、有機胺。
6.根據權利要求I或5所述的一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是所述的沉淀劑包括氨水、尿素、碳酸、二氧化碳、草酸。
7.根據權利要求I所述的一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是所述的低于60°C的條件下干燥處理是指在60°C以下溫度下，對流、輻射和熱傳導三種熱能傳遞方式設計的干燥過程。
8.根據權利要求I所述的一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是所述的熱處理是指能夠發生固相化學反應生成尖晶石相的溫度、保溫時間和過程，溫度范圍為900°C~ 1200°C，保溫時間為0. 5 24小時。
9.根據權利要求I所述的一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，其特征是所涉及的原料和產物的質量百分比純度不低于95%。
全文摘要
本發明公開了一種低溫固相反應法制備鎂鋁尖晶石粉體的方法，是按鎂鋁尖晶石化學計量比稱取含鋁、鎂原料，將稱取的原料采用干法預處理、濕法預處理、鹽類水解法預處理或者鹽類沉淀法預處理中的一種，進行原料預處理，得到的混合物粉狀物稱為前驅體，將前驅體在900℃～1200℃的條件下進行熱處理或者焙燒，得到分散性較好、純相鎂鋁尖晶石粉體，部分顆粒呈現正八面體形狀，本發明使用含氟化合物作為礦化劑，對氧化鋁(或氫氧化鋁)與氧化鎂(或氫氧化鎂)粉體高溫下進行固相反應時有效控制，具有反應溫度低、能夠制得純相或幾乎純相的鎂鋁尖晶石粉體、且粉體的化學純度能夠保持與固相反應前相同的水平、粉體粒度在微米級或亞微米級、粉體的原級顆粒形貌有時呈現規則的正八面體形狀的特點。
文檔編號C04B35/443GK102701724SQ20121018380
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者姜文, 宮瑞樓, 王修慧, 王富剛, 王程民, 王高濤 申請人:大連交通大學, 山東大盛光電科技有限公司