一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法

摘要

本发明公开了一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，属于陶瓷材料制备技术领域。其制法为：将32-38wt.%的Al粉末，34-40 wt.%的CaSO4粉末，12-18 wt.%的TiO2粉末和10-16 wt.%的B2O3粉末充分混合后，压实，在其表面撒上引火粉，引燃，进行自蔓延高温反应，得混合颗粒；对其进行研磨，加入碳酸盐溶液反应5-10分钟，再加入盐酸反应5-10分钟，分离，洗涤，烘干，即得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。本发明操作简单、设备简易、反应迅速、制备效率高、能耗少、成本低廉，所制备的粉末纯度较高，质量较好，具有良好的工业推广价值。

权利要求

1.一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将32-38wt.%的Al粉末，34-40 wt.%的CaSO4粉末，12-18 wt.%的TiO2粉末和

10-16 wt.%的B2O3粉末充分混合后，压实，在其表面撒上引火粉，引燃，进行自蔓延高温反应，得混合颗粒；

（2）将步骤（1）制备的混合颗粒，研磨，加入浓度为0.5-1.0mol/L的碳酸盐溶液反应

5-10分钟，再加入10%-20%盐酸反应5-10分钟，分离，洗涤，烘干，即得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。

2.根据权利要求1所述一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的Al粉末的细度为200目。

3.根据权利要求1所述一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的引火粉为火药粉。

4.根据权利要求1所述一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的引燃为镁条引燃。

5.根据权利要求1所述一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的碳酸盐溶液为Na2CO3溶液或K2CO3溶液。

6.根据权利要求1所述一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的洗涤为蒸馏水洗涤至中性。

7.根据权利要求1所述一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的烘干条件为：烘干温度100-110℃，烘干时间0.5-1.0h。

说明书

一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法。

背景技术

[0002] 陶瓷粉末属于一种非金属多功能材料，主要成分为Al2O3和SiO2，具有优异的分散性和悬浮性，良好的遮盖能力和化学稳定性，同时具备较好的可塑性和耐热性；还可以替代钛白粉，并且可以消除钛白粉的光絮凝现象。因而陶瓷粉末在建筑涂料，工业涂料和民用涂料中得以广泛的运用。TiB2因其具有熔点高，硬度大，抗氧化性能好，耐腐蚀性强，导热导电性好等特点，广泛运用于硬质材料和导电陶瓷材料等领域。在以Al2O3为主体的陶瓷材料中加入TiB2所制成的复合陶瓷材料，是集细晶粒的Al2O3陶瓷微粉和具有“三维连续性”的TiB2为一体，在模具制造和硬质合金涂层方面具有良好的应用前景。

[0003] 目前，国内在制备复合陶瓷方面取得了很大的突破，所制取的复合陶瓷性能优良，但是存在工艺过程繁琐，制取成本较高等问题。如采用专利201010177581.8公开的氧化铝-氧化钛复合陶瓷粉末的制备方法，虽然得到了流动性能优良的复合陶瓷粉末，但是需要经过高速离心、喷雾干燥、高温烧结和等离子球化等工艺过程，制备过程相对较冗长繁琐且成本也没有得到控制。专利2011102030264.3中采用化学方法制备氧化锆和氧化铝复合陶瓷，所使用的一些化学药品如浓盐酸对环境有害而且不容易处理，并不符合环保理念。

[0004] 制取Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的关键在于TiB2粉体的制备。目前，制备TiB2的方法主要有镁热自蔓延还原法，熔盐电解法和碳热还原法。专利01128497.8公开的自蔓延高温还原合成法制备高纯二硼化钛陶瓷微粉的方法，虽然较SHS单质合成TiB2成本低，但是整个反应过程需要在氩气的保护下进行，生产工艺还是相对繁琐。专利201010227287.3公开的纳米二硼化钛多晶粉的制备方法，利用镁热自蔓延技术制取了纯度较高的TiB2粉末，但是该镁热自蔓延反应不仅需要在氩气保护氛围下进行，而且还须利用500吨压片机保压一段时间，整个制备的工艺过程相对比较复杂，成本上也没有给予有效的控制。专利201210048082.8公开的高温高压制备二硼化钛的方法，以钛粉和硼粉作为原材料，而硼粉的价格较高并且需要在高温高压下进行，制备成本较高。而专利201310168396.6中公开的低温固相法合成二硼化钛陶瓷粉末，虽然简化了工艺流程，而且得到的粉末纯度较高，但是该方法使用微米级的硼粉作为原材料，没有克服制备成本高的缺陷。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服目前制备复合陶瓷粉末中存在的过程冗长繁琐，制取成本较高等缺陷，利用自蔓延高温合成技术，提供一种操作简便、能耗低、成本低廉的制备Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的方法。

[0006] 一种Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的制备方法，包括以下步骤：

[0007] （1）将32-38wt.%的Al粉末，34-40 wt.%的CaSO4粉末，12-18 wt.%的TiO2粉末和10-16 wt.%的B2O3粉末充分混合后，压实，在其表面撒上引火粉，引燃，进行自蔓延高温反应，得混合颗粒；

[0008] （2）将步骤（1）制备的混合颗粒研磨，加入浓度为0.5-1.0mol/L的碳酸盐溶液反应5-10分钟，再加入10%-20%盐酸反应5-10分钟，分离，洗涤，烘干，即得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。

[0009] 所述步骤（1）中的Al粉末的细度为200目。

[0010] 所述步骤（1）中的引火粉为火药粉。

[0011] 所述步骤（1）中的引燃为镁条引燃。

[0012] 所述步骤（2）中的碳酸盐溶液为Na2CO3溶液或K2CO3溶液。

[0013] 所述步骤（2）中的洗涤为蒸馏水洗涤至中性。

[0014] 所述步骤（2）中的烘干条件为：烘干温度100-110℃，烘干时间0.5-1.0h。

[0015] 本发明的原理为：自蔓延高温反应由两个过程实现，首先是铝粉和硫酸钙反应，反应式为：8Al+3CaSO4=3CaS+4Al2O3，产生大量的热量，这些热量促使铝、氧化硼和氧化钛反应，反应式为：10Al+3B2O3+3TiO2=5Al2O3+3TiB2，反应完成后在反应釜的四周得到混合颗粒，将混合颗粒用容器收集并用研钵研磨成粉末。然后加入M2CO3溶液，发生的反应为：M2CO3+CaSO4=CaCO3↓+M2SO4；而加入盐酸后发生如下反应：CaCO3+2HCI=CO2↑+CaCl2+H2O和CaS+2HCl=CaCl2+H2S↑；铝和硫酸钙的反应是产生大量热量的放热反应，产生的热量营造的高温条件恰恰给铝、氧化硼与氧化钛的反应提供了条件，使得该反应能够得以进行；同时该反应产生的Al2O3为本发明复合陶瓷粉末的的主要成分之一。稀盐酸的作用有以下几个方面，一方面使得硫化钙迅速与酸反应生成气体和盐，另一方面是消除因过量的硫酸钙与碳酸钠反应生成的碳酸钙杂质，另外也是由于TiB2不与盐酸反应的特性。用蒸馏水洗涤至中性的目的是不引入氯元素杂质。

[0016] 本发明提供的制备Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的流程图如图1所示，由图1可知，制备过程简单易行，原料简单易得。

[0017] 本发明利用自蔓延高温合成技术制备Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末，反应时间短，制备效率高，能耗低，有良好的工业应用价值。

[0018] 本发明具有如下优点和有益效果：

[0019] 1．本发明实现了资源的合理利用，能耗小，成本低廉。使用铝和硫酸钙反应不仅给二硼化钛的制备提供了充足的热量，同时给制备的陶瓷粉末提供了丰富的氧化铝基体，反应产物氧化铝的到了合理的利用；反应无需其他外部能量供应，由反应本身产生的热量直接维持反应的进行，使用的铝粉、硫酸钙、氧化钛、氧化硼容易获得，而且成本比较低廉。

[0020] 2.本发明设备简易，操作简单。只需填装粉末的石墨模具，无需其他大型的设备。操作过程为粉末反应、收集研磨、盐酸除杂、中性处理和烘干。

[0021] 3.本发明反应迅速，制备效率较高。自蔓延反应过程仅仅为10秒左右，之后便可以马上进行后续的研磨、除杂和烘干处理。

[0022] 4．本发明制备的陶瓷粉末纯度较高。整个过程产物只有CaS为杂质以及可能含有少量的CaSO4残余，通过加入少量的NaCO3反应，而后利用稀盐酸浸泡以及随后的过滤就可以处理得到纯度较高的复合陶瓷粉末。

附图说明

[0023] 图1为制备Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的流程图。

[0024] 图2为实施例1的自蔓延高温反应的装置示意图，其中1为镁条，2为火药粉，3为石墨坩埚，4为反应粉末。

[0025] 图3为实施例1所制备的Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末的XRD图。

具体实施方式

[0026] 下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。如无特殊说明，下述实施例中使用的化学品均为分析纯试剂。

[0027] 实施例1

[0028] 将32g的Al粉（细度为200目）、38gCaSO4粉末，14gTiO2粉末和16gB2O3粉末装于混粉器中，混合均匀，然后将混合物料放入石墨坩埚中，稍稍压实后，在混合物料表面撒上一层药火粉（其装置图如图2所示），用点火器点燃镁条引燃，混合粉末进行自蔓延高温反应，反应完成后在石墨坩埚四周生成混合颗粒。将四周的生成的混合颗粒收集起来，使用研钵研磨成粉末，加入0.5mol/L的NaCO3溶液至没过粉末，充分反应10分钟，接着加入50mL10%的稀盐酸反应10分钟，将反应后的溶液进行过滤。过滤的到的粉末用蒸馏水清洗至中性，然后在110℃的烘干机中烘0.5小时，最后制得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。将制得的Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末进行XRD测试。XRD测试结果如图3所示，图中显示了Al2O3和TiB2的特征峰，即制备的粉末为Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。

[0029] 实施例2

[0030] 将34g的Al粉（细度为200目）、40gCaSO4粉末，12gTiO2粉末和14gB2O3粉末装于混粉器中，混合均匀，然后将混合物料放入石墨坩埚中，稍稍压实后，在混合物料表面撒上一层火药粉，用点火器点燃镁条引燃，混合粉末进行自蔓延高温反应，反应完成后在石墨坩埚四周生成混合颗粒。将四周的生成的混合颗粒收集起来，使用研钵研磨成粉末，加入0.5mol/L的NaCO3溶液至没过粉末，充分反应10分钟，接着加入50mL 10%的稀盐酸反应10分钟，将反应后的溶液进行过滤。过滤的到的粉末用蒸馏水清洗至中性，然后在110℃的烘干机中烘0.5小时，制得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。

[0031] 实施例3

[0032] 将36g的Al粉（细度为200目）、36gCaSO4粉末，18gTiO2粉末和10gB2O3粉末装于混粉器中，混合均匀，然后将混合物料放入石墨坩埚中，稍稍压实后，在混合物料表面撒上一层火药粉，用点火器点燃镁条引燃，混合粉末进行自蔓延高温反应，反应完成后在石墨坩埚四周生成混合颗粒。将四周的生成的混合颗粒收集起来，使用研钵研磨成粉末，加入0.5mol/L的NaCO3溶液至没过粉末，充分反应10分钟，接着加入50mL 10%的稀盐酸反应10分钟，将反应后的溶液进行过滤。过滤的到的粉末用蒸馏水清洗至中性，然后在110℃的烘干机中烘0.5小时，制得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。

[0033] 实施例4

[0034] 将 38g的Al粉（细度为200目）、34gCaSO4粉末，16gTiO2粉末和12gB2O3粉末装于混粉器中，混合均匀，然后将混合物料放入石墨坩埚中，稍稍压实后，在混合物料表面撒上一层火药粉，用点火器点燃镁条引燃，混合粉末进行自蔓延高温反应，反应完成后在石墨坩埚四周生成混合颗粒。将四周的生成的混合颗粒收集起来，使用研钵研磨成粉末，加入0.5mol/L的NaCO3溶液至没过粉末，充分反应10分钟，接着加入50mL10%的稀盐酸反应10分钟，将反应后的溶液进行过滤。过滤的到的粉末用蒸馏水清洗至中性，然后在110℃的烘干机中烘0.5小时，最后制得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。

[0035] 实施例5

[0036] 将32g的Al粉（细度为200目）、38gCaSO4粉末，14gTiO2粉末16gB2O3粉末装于混粉器中，混合均匀，然后将混合物料放入石墨坩埚中，稍稍压实后，在混合物料表面撒上一层火药粉，用点火器点燃镁条引燃，混合粉末进行自蔓延高温反应，反应完成后在石墨坩埚四周生成混合颗粒。将四周的生成的混合颗粒收集起来，使用研钵研磨成粉末，加入0.7mol/L的NaCO3溶液至没过粉末，充分反应8分钟，接着加入75mlL15%的稀盐酸反应8分钟，后将反应后的溶液进行过滤。过滤的到的粉末用蒸馏水清洗至中性，然后在105℃的烘干机中烘0.8小时，最后制得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。

[0037] 实施例6

[0038] 将 32g的Al粉（细度为200目）、38gCaSO4粉末，14gTiO2粉末和16gB2O3粉末装于混粉器中，混合均匀，然后将混合物料放入石墨坩埚中，稍稍压实后，在混合物料表面撒上一层火药粉，用点火器点燃镁条引燃，混合粉末进行自蔓延高温反应，反应完成后在石墨坩埚四周生成混合颗粒。将四周的生成的混合颗粒收集起来，使用研钵研磨成粉末，加入1.0mol/L的K2CO3溶液至没过粉末，充分反应5分钟，接着加入100mL20%的稀盐酸反应5分钟，将反应后的溶液进行过滤。过滤的到的粉末用蒸馏水清洗至中性，然后在100℃的烘干机中烘1.0小时，最后制得Al2O3-TiB2复合陶瓷粉末。

[0039] 以上对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明比并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。