Способ получения нанопорошка оксинитрида алюминия

Изобретение относится к получению нанопорошка оксинитрида алюминия. Тонкодисперсный порошок алюминия вводят в поток термической плазмы, в котором осуществляют взаимодействие паров алюминия с аммиаком в присутствии кислорода в количестве, отвечающем атомному соотношению элементов 1,16<O/Al<1,24. Обеспечивается получение порошка с размером частиц менее 100 нм. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности получению порошков для создания высокопрочной прозрачной керамики на основу оксинитрида алюминия (ОНА). Уникальное сочетание оптических, диэлектрических и механических свойств такой керамики представляет значительный интерес к ее использованию в различных технических приложениях.

К настоящему времени для получения порошков ОНА используются преимущественно два подхода - твердофазная реакция оксида алюминия с нитридом алюминия и карботермическое восстановление-азотирование оксида алюминия [Corbin N.D. "AluminumOxynitrideSpinel: AReview." Journal of the European Ceramic Society, vol. 5, pp. 143-154,1989; Xidong W., Fuming W., Wenchao L. Synthesis, microstructures and properties of γ-aluminum oxynitride. Materials Science and Engineering: A. 2003. v. 342. №1-2. pp. 245-250; Грибченкова Н.А., Береснев Э.Н., Сморчков К.Г. и др. Синтез и термические свойства "АЛОНА". Журнал неорганической химии. 2015. т. 60. №9. с. 1247]. Указанные подходы реализуются с использованием различных методов нагрева, условий проведения процессов и подготовки используемых реагентов.

Твердофазная реакция взаимодействия нитрида и оксида алюминия проводится при температуре выше 1700°C в течение нескольких часов, что определяет основные недостатки этого подхода - большое время процесса, высокие затраты энергии и использование дорогостоящего сырья - нитрида алюминия [например, патент США №5688730, 1997 г.].

Процесс карботермического восстановления-азотирования оксида алюминия также проводится при высоких температурах 1650-1850°C [например, патент США №8211356, 2012 г]. К недостаткам этого подхода также относятся большое время процесса и высокие затраты энергии, кроме того, имеются технические трудности получения целевого продукта заданного состава, не содержащего примесей.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является процесс получения порошка ОНА, представленный в патенте [Patent US 6955798 В2, 2005]. Способ предусматривает использование исходных порошков алюминия и гамма-формы оксида алюминия, которые подвергаются размолу в течение времени, обеспечивающего образование смеси твердого раствора азота в алюминии и оксида алюминия. Далее проводится нагрев смеси в азотсодержащем газе в течение времени и при температуре, достаточных для образования ОНА.

Недостатком процесса является низкая скорость - время размола составляет от 9 часов, кроме того, способ не позволяет получать порошки с высокой дисперсностью (ультра- и нанодисперсные).

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании высокоинтенсивного способа получения порошка оксинитрида алюминия в виде нанодисперсного порошка.

Техническим результатом изобретения является получение целевого продукта - ОНА - в потоке термической плазмы в виде нанопорошка, состоящего из частиц с размерами менее 100 нм.

Технический результат достигается тем, что в способе получения нанопорошка оксинитрида алюминия тонкодисперсный порошок алюминия вводится в поток термической плазмы, в котором осуществляется взаимодействие паров алюминия с аммиаком в присутствии кислорода в количестве, отвечающем атомному соотношению элементов 1,.16<O/Al<1,24.

Применение плазменного нагрева обеспечивает проведение синтеза ОНА в газовой фазе, что на порядки снижает характерное время процесса по сравнению с существующими способами получения ОНА в результате твердофазных реакций, а также обеспечивает получение целевого продукта в виде нанопорошка при конденсации из газовой фазы. Плазмообразующим газом может быть азот и его смеси с инертными газами, а также водородом. В составе плазмообразующего газа не допускается присутствие свободного или химически связанного кислорода. Алюминий используется в виде тонкодисперсного порошка для обеспечения его полного испарения в потоке плазмы. Аммиак вводится в высокотемпературный поток в количестве, значительно превышающем стехиометрически необходимое для образования ОНА, в то время как количество вводимого кислорода должно удовлетворять атомному соотношению элементов 1,16<O/Al<1,24. Граничные значения этого соотношения соответствуют области гомогенности ОНА(AlN)_x(Al₂O₃)_1-x, где 0,3<x<0,37. Наряду с аммиаком и кислородом в газовой смеси могут присутствовать азот, что позволяет использовать воздух как кислородсодержащий газ. Вводимая в высокотемпературный поток, содержащий пары алюминия, смесь газов должна обеспечивать не только протекание химических реакций формирования частиц ОНА при конденсации из газовой фазы, но и определять скорость снижения температуры потока и ее конечное значение и тем самым управлять размером получаемых частиц. Это может быть достигнуто изменением расхода вводимых газов при соблюдении указанных выше требуемых условий - избыток аммиака и диапазон допустимых значений соотношения O/Al. Выполненные к настоящему времени обширные исследования синтеза большого числа неорганических соединений по схеме ввода в плазменный поток холодных газов свидетельствуют о том, что при этом обеспечивается получение целевого продукта в виде нанопорошков с размером частиц менее 100 нм.

Отличительной особенностью и преимуществом предложенного способа является проведение синтеза ОНА из газовой фазы при взаимодействии паров алюминия, присутствующих в потоке термической плазмы, со смесью, в которой присутствуют аммиак и кислород, при соблюдении атомного соотношения элементов 1,16<O/Al<1,24. Способ обеспечивает протекание синтеза целевого продукта за времена порядка долей секунды и получение нанопорошка ОНА.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В электроразрядном генераторе термической плазмы происходит нагрев подаваемых газов при их прохождении через дуговой, высокочастотный, сверхвысокочастотный или комбинированный разряд. В полученный поток термической плазмы вводится порошок алюминия с размером частиц не более 30 мкм, чтобы обеспечить полное испарение алюминия. Для подачи порошка используется транспортирующий газ, в качестве которого могут быть использованы азот, инертные газы или смеси указанных газов. На расстоянии от сечения ввода алюминия, обеспечивающем полное испарение частиц, в высокотемпературный поток вводится смесь аммиака и кислорода, причем количество аммиака значительно превышает стехиометрически необходимое по реакции образования ОНА, в то время как количество кислорода удовлетворяет атомному соотношению элементов 1,16<O/Al<1,24. Наряду с аммиаком и кислородом в газовой смеси могут присутствовать азот, что позволяет использовать воздух как кислородсодержащий газ, также в составе смеси могут присутствовать инертные газы. В результате химических реакций взаимодействия продуктов диссоциации аммиака, кислорода и паров алюминия при снижении температуры потока за счет вдува холодных газов происходит формирование наноразмерных частиц ОНА. Далее газодисперсный поток охлаждается в теплообменном устройстве и поступает на фильтр, где происходит выделение порошка из газового потока.

Реализация способа представлена следующим примером.

Пример

В поток термической плазмы, получаемой при нагреве в электродуговом плазменном генераторе смеси азота (97 объемных %) и водорода (3 объемных %) с суммарным расходом 1.5 м³/ч (норм. условия), вводится порошок алюминия с расходом 0.12 кг/ч с использованием в качестве транспортирующего газа азота с расходом 0.5 м³/ч (норм. условия). Среднемассовая энтальпия плазменной струи на выходе из плазменного генератора составляет 7.4 кВтч/нм³.

Ниже по потоку вводится смесь аммиака (25 объемных %), кислорода (1 объемный %) и азота (74 объемных %) с расходом 6 м³/ч (норм. условия). Атомное соотношение элементов O/Al для указанных расходов составляет 1,21, а соотношение N_аммиак/Al_{оставляет} 15,7.

Полученный нанопорошок по результатам рентгенофазового анализа является γ-оксинитридом алюминия (рис. 1), удельная поверхность порошка составляет 71 м²/г, что соответствует нанодиапазону размеров частиц.

Способ получения нанопорошка оксинитрида алюминия, отличающийся тем, что тонкодисперсный порошок алюминия вводят в поток термической плазмы, в котором осуществляют взаимодействие паров алюминия с аммиаком в присутствии кислорода в количестве, отвечающем атомному соотношению элементов 1,16<O/Al<1,24.