一种含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉及其制备方法和应用与流程

本发明属于陶瓷材料制造，具体涉及一种含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氧化铝陶瓷因其具有高硬度、高耐磨性和化学稳定性等优异性能，被广泛应用于电子陶瓷、催化剂载体、耐磨材料及精密抛光等领域，微晶氧化铝陶瓷因其具有更高的强度、硬度和韧性而受到广泛关注。目前，微晶氧化铝陶瓷的制备方法主要包括以下几种路线：一是采用溶胶-凝胶法制备纳米氧化铝前驱体，再经煅烧获得微晶氧化铝粉体，然而，该技术路线仍依赖于后续烧结过程中的相变控制和晶粒抑制，未涉及在造粒粉阶段预制微晶结构的构思，且溶胶-凝胶工艺存在周期长、产量低、不适合大规模连续化生产等局限性。二是采用纳米或亚微米级α-al2o3粉体为原料，结合热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结等特殊烧结工艺，通过快速致密化抑制晶粒长大。三是在原料中添加晶粒生长抑制剂，通过在晶界处形成钉扎效应抑制晶粒迁移和长大，可以在常规烧结条件下获得一定程度的细晶效果，但抑制剂添加量过大时会影响陶瓷的纯度和高温性能。

2、上述现有技术中，微晶结构均在最终的高温烧结或煅烧阶段形成，尚未有在造粒粉阶段预制微晶结构的技术方案；并且，现有微晶氧化铝粉体多为不规则的破碎颗粒或经干磨后球形度受损的类球形颗粒，流动性较差，不利于后续成型工艺的均匀填充和高效生产。此外，现有技术中为实现微晶结构所采用的工艺路线普遍存在流程长、能耗高、设备要求苛刻等缺陷。

3、因此，开发一种能够在造粒粉阶段即具备微晶结构、同时保持优异球形度和流动性的氧化铝造粒粉，并采用简便、高效的制备方法，对于推动微晶氧化铝陶瓷的工业化应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉及其制备方法和应用，解决了微晶氧化铝陶瓷的制备依赖于纳米粉体结合特殊烧结工艺，及微晶结构仅在最终高温烧结阶段形成、工艺复杂、成本高的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉的制备方法，包括以下步骤：

4、s1.称取勃姆石纳米粉作为铝源，加入α-氧化铝晶种和晶粒调理剂，混合，得到混合粉体；

5、s2.将所得混合粉体与去离子水、分散剂、粘结剂混合并研磨，得到浆料；

6、s3.将所得浆料进行喷雾干燥，得到球形团聚体；

7、s4.将所得球形团聚体进行低温预煅烧，得到含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉；

8、其中，所述低温预煅烧的温度低于α-氧化铝的完全相变温度，煅烧产物中同时含有α-al2o3微晶和γ-alooh纳米晶；

9、所述晶种的添加量为铝源的1~10wt%，所述晶粒调理剂的添加量为铝源的0.5~5wt%。

10、优选地，所述低温预煅烧为将所得球形团聚体在450~650℃下煅烧1~3h。

11、优选地，所述α-氧化铝晶种在低温预煅烧过程中诱导部分γ-alooh脱水相变为α-al2o3微晶；所述晶粒调理剂偏聚于新生成的α-al2o3微晶的晶界处。

12、优选地，所述晶粒调理剂选自硼酸、氯化铝、mgo、la2o3中的至少两种。

13、优选地，所述晶粒调理剂为mgo和la2o3，所述mgo与la2o3的质量比为1:1~5。

14、优选地，所述α-氧化铝晶种的制备方法如下：将硝酸铝与尿素按1:3-5的摩尔比溶于去离子水中，搅拌均匀后置于700℃的马弗炉中，引发燃烧反应，反应完成后收集泡沫状产物，经研磨得到α-氧化铝晶种。

15、优选地，所述晶种的粒径为5~50nm，晶种中α-al2o3的含量≥99.0wt%。

16、优选地，所述分散剂为聚丙烯酸钠或三聚磷酸钠，分散剂的添加量为铝源的0.1~1wt%。

17、优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇或聚乙二醇，粘结剂的添加量为铝源的0.5~5wt%。

18、优选地，所述浆料中固相颗粒的粒径d50≤200nm，浆料固含量为30~60wt%。

19、优选地，所述研磨的条件为行星球磨机转速为200~400 rpm，球料比为2:1~5:1，氧化锆球为研磨介质。

20、优选地，所述喷雾造粒采用离心式雾化器，离心式雾化器的转速为8000~15000rpm。

21、本发明提供了一种含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉，由上述制备方法制得；所述造粒粉为球形颗粒，单个球形颗粒为α-al2o3微晶与γ-alooh纳米晶均匀复合的多晶团聚体。

22、优选地，所述α-al2o3微晶的晶粒尺寸为50-200nm；所述造粒粉的粒径为20-100μm，球形度≥0.95。

23、本发明还提供了上述含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉在制备微晶氧化铝陶瓷中的应用；将所述造粒粉经干压成型得到坯体，然后在1300~1550℃下常压烧结0.5~3小时，即得微晶氧化铝陶瓷。

24、优选地，所得微晶氧化铝陶瓷的平均晶粒尺寸≤200nm，相对密度≥98%

25、本发明以勃姆石纳米粉作为铝源，在制浆阶段引入α-氧化铝晶种，通过研磨使晶种与γ-alooh纳米颗粒达到分子级别的均匀混合。在随后的450~650℃低温预煅烧过程中，γ-alooh部分发生脱水反应转变为γ-al2o3，并进一步向α-al2o3转变。由于α-氧化铝晶种的存在，为γ-alooh的相变提供了大量的异质成核位点，降低了α-al2o3形核所需的活化能，使得在远低于常规α-al2o3相变温度的条件下即可形成α-al2o3微晶。

26、本发明选用的晶粒调理剂中，mgo和la2o3复合添加可使al-o键长缩短，使氧化铝晶胞体积减小，形成更细小的微晶。晶粒调理剂在预煅烧和后续烧结过程中持续发挥抑制晶粒长大的作用。

27、本发明的有益效果：

28、本发明以勃姆石纳米粉为铝源，添加α-氧化铝晶种和晶粒调理剂，经制浆、喷雾造粒、低温预煅烧得到含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉，所述α-al2o3微晶的晶粒尺寸为50-200nm。本发明通过在造粒粉阶段预制微晶结构，实现了采用常规成型和常压烧结即可获得微晶氧化铝陶瓷，工艺简单、成本低，适合工业化生产。

29、本发明的含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉具有α-al2o3微晶与γ-alooh纳米晶的双相复合结构，具有以下优势：γ-alooh相在后续的成型烧结过程中（1300~1550℃）将发生进一步的脱水相变，伴随体积收缩和能量释放，可有效促进陶瓷坯体的烧结致密化；预先存在的α-al2o3微晶在后续烧结中作为“晶种模板”，引导新生成的α-al2o3在其表面外延生长，避免新的晶核无序形成和异常长大。本发明在造粒粉阶段即完成了微晶结构，与仅在最终烧结阶段形成微晶的技术路线不同。

30、本发明制备的含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉球形度好、流动性优异，有利于后续成型工序的均匀填充。

1.一种含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述α-氧化铝晶种在低温预煅烧过程中诱导部分γ-alooh脱水相变为α-al2o3微晶；所述晶粒调理剂偏聚于新生成的α-al2o3微晶的晶界处。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述晶粒调理剂选自硼酸、氯化铝、mgo、la2o3中的至少两种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述α-氧化铝晶种的制备方法如下：将硝酸铝与尿素按1:2的摩尔比溶于去离子水中，搅拌均匀后置于700℃的马弗炉中，引发燃烧反应，反应完成后收集泡沫状产物，经研磨得到α-氧化铝晶种；所述晶种的粒径为5~50nm，晶种中α-al2o3的含量≥99.0wt%。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸钠或三聚磷酸钠，分散剂的添加量为铝源的0.1~1wt%；所述粘结剂为聚乙烯醇或聚乙二醇，粘结剂的添加量为铝源的0.5~5wt%。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浆料中固相颗粒的粒径d50≤200nm，浆料固含量为30~60wt%。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷雾造粒采用离心式雾化器，离心式雾化器的转速为8000~15000rpm。

8.一种含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉，其特征在于，由权利要求1~7任一项所述制备方法制得；所述造粒粉为球形颗粒，单个球形颗粒为α-al2o3微晶与γ-alooh纳米晶均匀复合的多晶团聚体。

9.根据权利要求8所述的含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉，其特征在于，所述α-al2o3微晶的晶粒尺寸为50-200nm；所述造粒粉的粒径为20-100μm，球形度≥0.95。

10.一种如权利要求8所述含有微晶结构的球形氧化铝造粒粉在制备微晶氧化铝陶瓷中的应用，其特征在于，将所述造粒粉经干压成型得到坯体，然后在1300~1550℃下常压烧结0.5~3小时，即得微晶氧化铝陶瓷。