一种利用盐浴合成法制备微纳米金属陶瓷复合粉体的方法

摘要

本发明公开了一种利用盐浴合成法制备微纳米金属陶瓷复合粉体的方法，其主要工艺过程是：按化学计量取粒度为100目～200目的3Fe3O4+8Al粉料或Cr2O3+2Al粉料或3TiO2+4Al粉料，加入占粉料总重量20～80wt％的NaCl和KCl各占50wt％的复合盐，装入球磨机不锈钢钢罐中，将球磨罐抽真空至10－2～10－3乇并充入氩气，氩气压力在0.9～1.2atm的范围，球磨机转速控制在200转/分，球料比为25∶1，球磨4～10小时。将粉料在3MPa压力下压制成坯体放入700℃～900℃的NaCl和KCl各占50wt％的复合熔融盐中，保温20分钟，坯体中粉料在熔盐中发生化学反应，冷却后经脱盐制备出尺寸在20nm～200nm的4Al2O3+9Fe或Al2O3+2Cr或2Al2O3+3Ti金属陶瓷复合粉体。本发明的主要特点是：(1)工艺简单，(2)成本低，(3)产物纯净。本发明投资小、工艺成熟，可推广使用。

说明书

本发明属于陶瓷材料制备领域，涉及到4Al₂O₃+9Fe、Al₂O₃+2Cr和2Al₂O₃+3Ti金属陶瓷复合粉体材料制备。

尺寸范围在1～100nm的微纳米陶瓷，呈现出许多不同于大块物料的属性，被誉为跨世纪的新材料。微纳米陶瓷可以应用于化工、陶瓷、电磁、光学、超导、生物医学、染料、农业等多种行业，微纳米陶瓷制备已成为当今材料科学研究的热点领域。

现有技术制备Fe、Cr和Ti粉体的主要方法之一是金属熔体真空冷凝法，其具体工艺是在高真空下将原料蒸发，通过控制流体速度以及蒸发速度来控制粒子尺寸。特点是能够获得高纯度的产品，但其生产能力较低，且只适合于制备尺寸小于20nm的粒子，技术设备要求高。

现有技术制备Al₂O₃微纳米陶瓷粉体的两种主要方法是：(1)机械球磨法，(2)溶胶一凝胶法。机械球磨法制备Al₂O₃微纳米陶瓷粉体虽然设备成本低、工艺简单，但是一般球磨时间在20～40小时以上，制备的材料在球磨过程中污染严重，产物不纯净，一般无法使Al₂O₃微纳米陶瓷粉体细化到100nm以下。

综上所述，现有技术制备Fe、Cr和Ti粉体的缺点是：生产能力低，工艺复杂，技术设备要求高；现有技术机械球磨法制备Al₂O₃微纳米陶瓷粉体的缺点是：材料污染严重，一般不能达到微纳米的粒度。为了克服现有技术的上述不足，并制备出工艺方法简单、成本低的4Al₂O₃+9Fe、Al₂O₃+2Cr和2Al₂O₃+3Ti金属陶瓷复合粉体，特提出本发明的技术解决方案。

本发明的基本构思是，依据3Fe₃O₄+8Al、Cr₂O₃+2Al和3TiO₂+4Al在高温下能够发生化学反应放出大量的热，并生成对应的4Al₂O₃+9Fe、Al₂O₃+2Cr和2Al₂O₃+3Ti金属陶瓷复合粉体材料的特点，在球磨机械合金化过程中，随着时间的延长，粉料颗粒变小、比表面积增大、活性提高；复合盐的加入使得粉料粒子在球磨机械合金化过程中充分分散，在随后的高温复合盐中进行化学反应时易于形成微纳米尺寸陶瓷粉体；高温复合盐不仅提供了化学反应所需要的初始温度，还对生成的粒子有良好的润湿作用，避免了微纳米陶瓷粉体的团聚。

本发明所设计的一种利用盐浴合成法制备微纳米金属陶瓷复合粉体的方法，其特征在于：按化学计量取粒度为100目～200目的3Fe₃O₄+8Al粉料或Cr₂O₃+2Al粉料或3TiO₂+4Al粉料，加入占粉料总重量20～80wt％的NaCl和KCl各占50wt％的复合盐制成坯体，将坯体放入700℃～900℃的NaCl和KCl各占50wt％的复合熔融盐中，保温20分钟，坯体中粉料在熔盐中发生化学反应，冷却后经过脱盐工艺，制备出尺寸在20nm～200nm的4Al₂O₃+9Fe或Al₂O₃+2Cr或2Al₂O₃+3Ti金属陶瓷复合粉体。

本发明所设计的一种利用盐浴合成法制备微纳米金属陶瓷复合粉体的方法，其进一步特征在于，坯体制备方法是：粉料加入20～80％的复合盐后，装入球磨机不锈钢钢罐中，球料比为25∶1，将球磨罐抽真空至10^-2～10^-3乇并充入氩气，氩气压力在0.9～1.2atm的范围，球磨机转速控制在200转/分，球磨4～10小时，在3MPa压力下压制成坯；脱盐工艺过程是：将反应冷却后载有陶瓷粉体的复合盐放入5倍盐重量的水中浸泡10～15小时，复合盐100％融入水中后，过滤出陶瓷粉体；金属陶瓷复合粉体尺寸的控制方法是：制备20nm的陶瓷粉体时，加入占反应物总重量80wt％的复合盐，球磨10小时，制备50nm的陶瓷粉体时，加入占反应物总重量60wt％的复合盐，球磨8小时，制备100nm的陶瓷粉体时，加入占反应物总重量40wt％的复合盐，球磨6小时，制备200nm的陶瓷粉体时，加入占反应物总重量20wt％的复合盐，球磨4小时；700℃～900℃的复合熔盐温度的选择方法是：3Fe₃O₄+8Al粉料制备的坯体放入700℃的熔融盐中；Cr₂O₃+2Al粉料制备的坯体放入800℃的熔融盐中；3TiO₂+4Al粉料制备的坯体放入900℃的熔融盐中。

与现有技术相比，本发明的主要优点是：(1)工艺简单，(2)成本低。

下面结合本发明的具体实例，进一步说明本发明的细节。

实施例1：

制备主要粒度分布在200nm的4Al₂O₃+9Fe微纳米金属陶瓷复合粉体

按化学计量取粒度为100目～200目的3Fe₃O₄+8Al粉料，Fe₃O₄粉和Al粉各34.8克和10.8克，共配料45.6g；加入9.12克NaCl和KCl各占50wt％的复合盐，混合后放入球磨机不锈钢钢罐中，将钢罐用橡胶圈密封后，抽真空至10^-2乇，充入氩气，压力为0.9atm，球料比为25∶1，控制球磨机转速为200转/分球磨4小时后，在模具中用3MPa的轴向压力下压制成φ30mm的坯体，将坯体放入NaCl和KCl各占50wt％的700℃的熔融复合盐中保温20分钟，将反应冷却后载有4Al₂O₃+9Fe微纳米金属陶瓷复合粉体的复合盐放入5倍盐重量的水中浸泡15小时，复合盐100％融入水中后，过滤出4Al₂O₃+9Fe，用去离子水反复冲洗后烘干，经测定4Al₂O₃+9Fe微纳米金属陶瓷复合粉体粒度为200nm。实施例2：

制备主要粒度分布在100nm的Al₂O₃+2Cr微纳米金属陶瓷复合粉体

按化学计量取粒度为100目～200目的Cr₂O₃+2Al粉料，Cr₂O₃粉和Al粉各15.2克和5.4克，共配料20.6g；加入8.24克NaCl和KCl各占50wt％的复合盐，混合后放入球磨机不锈钢钢罐中，将钢罐用橡胶圈密封后，抽真空至10^-3乇，充入氩气，压力为1.1atm，球料比为25∶1，控制球磨机转速为200转/分球磨6小时后，在模具中用3MPa的轴向压力下压制成φ30mm的坯体，将坯体放入NaCl和KCl各占50wt％的800℃的熔融复合盐中保温20分钟，将反应冷却后载有Al₂O₃+2Cr微纳米金属陶瓷复合粉体的复合盐放入5倍盐重量的水中浸泡13小时，复合盐100％融入水中后，过滤出Al₂O₃+2Cr，用去离子水反复冲洗后烘干，经测定Al₂O₃+2Cr微纳米金属陶瓷复合粉体粒度为100nm。

实施例3：

制备主要粒度分布在50nm的2Al₂O₃+3Ti微纳米金属陶瓷复合粉体

按化学计量取粒度为100目～200目的3TiO₂+4Al粉料，TiO₂粉和Al粉分别为24.0克和14.4克，共配料38.4g；加入23.04克NaCl和KCl各占50wt％的复合盐，混合后放入球磨机不锈钢钢罐中，将钢罐用橡胶圈密封后，抽真空至10^-2乇，充入氩气，压力为1.2atm，球料比为25∶1，控制球磨机转速为200转/分球磨8小时后，在模具中用3MPa的轴向压力下压制成φ30mm的坯体，将坯体放入NaCl和KCl各占50wt％的900℃的熔融复合盐中保温20分钟，将反应冷却后载有2Al₂O₃+3Ti微纳米金属陶瓷复合粉体的复合盐放入5倍盐重量的水中浸泡10小时，复合盐100％融入水中后，过滤出2Al₂O₃+3Ti，用去离子水反复冲洗后烘干，经测定2Al₂O₃+3Ti微纳米金属陶瓷复合粉体粒度为50nm。

实施例4：

制备主要粒度分布在20nm的4Al₂O₃+9Fe微纳米金属陶瓷复合粉体

按化学计量取粒度为100目～200目的3Fe₃O₄+8Al粉料，Fe₃O₄粉和Al粉各34.8克和10.8克，共配料45.6g；加入36.48克NaCl和KCl各占50wt％的复合盐，混合后放入球磨机不锈钢钢罐中，将钢罐用橡胶圈密封后，抽真空至10^-3乇，充入氩气，压力为1.0atm，球料比为25∶1，控制球磨机转速为200转/分球磨10小时后，在模具中用3MPa的轴向压力下压制成φ30mm的坯体，将坯体放入NaCl和KCl各占50wt％的700℃的熔融复合盐中保温20分钟，将反应冷却后载有4Al₂O₃+9Fe微纳米金属陶瓷复合粉体的复合盐放入5倍盐重量的水中浸泡12小时，复合盐100％融入水中后，过滤出4Al₂O₃+9Fe，用去离子水反复冲洗后烘干，经测定4Al₂O₃+9Fe微纳米金属陶瓷复合粉体粒度为20nm。