本發(fā)明涉及無機非金屬材料領域，尤其是一種溶膠凝膠法制備納米氧化鋁晶種的制備方法。

背景技術(shù)：

α－氧化鋁作為陶瓷、磨料等原料，在航空航天、能源、生物、冶金、電子、化學、化工等領域有非常廣泛的應用。通常α－氧化鋁是由氫氧化鋁、工業(yè)級的γ－氧化鋁經(jīng)過高溫煅燒相變后獲得，但高溫相變后一次晶粒尺寸通常大于300nm，無法用于細晶的陶瓷和磨料制備。如果在煅燒過程中引入晶種，由于晶種在相變動力學中提高了α－氧化鋁的成核密度并降低成核勢壘，因此可以在較低的煅燒溫度，獲得細晶的α－氧化鋁。因此納米氧化鋁晶種就是減小α－氧化鋁晶粒尺寸的關鍵，但是目前市場上很少有小于200nm的α－氧化鋁商業(yè)粉體，小批量生產(chǎn)的細晶氧化鋁粉體售價高，作為晶種使用成本高。

申請?zhí)枮?01110061648的中國發(fā)明專利涉及高分散性納米氧化鋁的非水溶膠凝膠制備方法，主要采用鋁鹽和醇類溶劑混合配成前驅(qū)體，所得到的前驅(qū)體經(jīng)過低溫非水溶劑熱處理后，產(chǎn)物經(jīng)乙醇洗滌離心后干燥獲得。其采用高成本的鋁鹽，并在流程中大量使用醇，工藝難以大規(guī)模推廣應用。申請?zhí)枮?00710144871的中國發(fā)明專利涉及高相容性納米氧化鋁及其微乳化相轉(zhuǎn)變制備法，其先配制鋁的醇鹽微乳化液，在超聲和強力攪拌下使之形成微乳化狀態(tài)，保持微乳化區(qū)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級凝固相，該方法雖能獲得納米級氧化鋁，但是工藝設備復雜，也需要大量使用醇，因此不利于低成本規(guī)模化生產(chǎn)。

所以現(xiàn)在亟需一種工藝簡單、生產(chǎn)成本低、利于大規(guī)模生產(chǎn)且產(chǎn)品性能優(yōu)異的溶膠凝膠法制備納米氧化鋁晶種的制備方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種溶膠凝膠法制備納米氧化鋁晶種的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種溶膠凝膠法制備納米氧化鋁晶種的制備方法，包括如下步驟：

1)取擬薄水鋁石和相當于總氧化鋁質(zhì)量2-30倍的水在70－90℃混合，攪拌均勻；加酸控制pH值2-5，形成溶膠；

2)將占總氧化鋁質(zhì)量分數(shù)1-30％的原始細晶α－氧化鋁作為晶種加入所述溶膠中，再加入六偏磷酸鈉和納米碳溶膠，在高速攪拌磨中研磨2-8小時，得到混合溶膠；

3)將所述混合溶膠置于溫度為80－98℃的氮氣氣氛環(huán)境下控溫1-6小時；

4)將所述步驟3)中靜置過的混合溶膠置于75-95℃的氮氣氣氛環(huán)境下干燥形成凝膠，再置于100-150℃的氮氣氣氛環(huán)境下繼續(xù)干燥形成水分質(zhì)量分數(shù)為15-40％的干凝膠，將得到的干凝膠破碎至180μm以下；

5)將所述步驟4)制得的干凝膠置于1000℃～1200℃下保溫2－10小時后，置于高頻振動箱中冷卻，再在高速攪拌磨中研磨2-8小時，干燥后得到細晶氧化鋁粉；

6)將所述步驟5)中得到的細晶氧化鋁粉代替所述步驟2)中的原始細晶α－氧化鋁作為晶種，重復所述步驟1)-5)，直到最終得到的氧化鋁粉體原晶小于100nm，即為最終制得的納米氧化鋁晶種。

其中，需要理解的是，整個工藝的前一次流程相當于為后續(xù)的工藝制備出細晶氧化鋁粉。

其中，納米碳溶膠具有極強的分散性，納米碳溶膠的加入還能有效提高成品的強度和耐磨性能。

其中，六偏磷酸鈉具有分散作用，六偏磷酸鈉的加入能有效提高研磨效率。

其中，將干凝膠置于高頻振動的環(huán)境下冷卻，一方面依靠從外面輸入能量促使晶核提前形成，另一方面使成長中的籽晶破碎，使晶核數(shù)目增加，從而使晶粒組織得到有效細化，能防止晶粒異常長大。

優(yōu)選的是，所述步驟1)中的擬薄水鋁石中含有的雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)不大于0.5％。

優(yōu)選的是，所述步驟2)中原始細晶α－氧化鋁的一次粒徑不大于0.5μm，中值粒徑D50不大于1μm。

其中，當晶體非常細小的時候，由于晶粒的表面能很大，細小的晶粒之間容易由于弱的相互作用力結(jié)合在一起，導致晶粒之間發(fā)生團聚，也就是很多個細小晶粒抱團，形成更大的二次顆粒。通常我們把單個的細小晶粒的粒徑叫作一次粒徑，也叫原始粒徑，而把發(fā)生團聚后形成的二次顆粒的粒徑叫做二次粒徑。

優(yōu)選的是，所述步驟1)中的酸選自工業(yè)鹽酸、工業(yè)硝酸、工業(yè)草酸中的一種。

優(yōu)選的是，所述步驟2)中的六偏磷酸鈉的質(zhì)量為總氧化鋁質(zhì)量的0.1-20％。

優(yōu)選的是，所述步驟2)中的納米碳溶膠的質(zhì)量為總氧化鋁質(zhì)量的0.2-30％。

優(yōu)選的是，所述步驟5)中的冷卻過程中對所述干凝膠施以持續(xù)的高頻振動。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

1.本發(fā)明通過添加納米碳溶膠，并通過調(diào)節(jié)溶膠和晶種的混合液的靜置溫度和靜置時間，控制混合液粘度及晶種的沉降，一方面促進擬薄水鋁石的進一步水解細化，另一方面有選擇地保留能夠懸浮的超細晶種，保證后續(xù)低溫轉(zhuǎn)相時的成核勢壘降低。

2.采用低成本工業(yè)氧化鋁作為初始細晶晶種，經(jīng)過數(shù)次迭代后，即可獲得原晶小于100nm且分散性優(yōu)越的氧化鋁晶種，迭代工藝簡單易于生產(chǎn)放大。

3.本發(fā)明原料成本低，制備工藝簡單、工藝參數(shù)易控制、易于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

實施例1

1)取55kg工業(yè)級的含有總質(zhì)量分數(shù)為0.4％的氧化硅、氧化鈉等雜質(zhì)的擬薄水鋁石和100kg的水在85℃下混合，加硝酸控制pH值為3，攪拌均勻形成溶膠；

2)將4kg的工業(yè)細晶α－氧化鋁作為原始晶種加入所述溶膠中，再加入0.5kg的六偏磷酸鈉和0.5kg的納米碳溶膠，在高速攪拌磨中研磨6小時，得到混合溶膠；

其中，工業(yè)細晶α－氧化鋁的一次粒徑為0.45μm，中值粒徑D50為0.8μm，磨介用直徑為2mm的氧化鋯球，磨料、磨介、水的質(zhì)量比例為1：1：10；

3)將所述混合溶膠置于溫度為95℃的氮氣氣氛環(huán)境下控溫6小時；

4)將所述步驟3)中靜置過的混合溶膠置于80℃的氮氣氣氛環(huán)境下干燥形成凝膠，再置于110℃的氮氣氣氛環(huán)境下繼續(xù)干燥形成水分質(zhì)量分數(shù)為26％的干凝膠，將得到的干凝膠破碎至180μm以下；

5)將所述步驟4)制得的干凝膠置于1200℃下保溫3小時后，置于高頻振動箱中冷卻，再在高速攪拌磨中研磨4小時，干燥后得到細晶氧化鋁粉；

其中，研磨時磨介用直徑為2mm的氧化鋯球，磨料、磨介、水的質(zhì)量比例為1：1：10；

6)將所述步驟5)中得到的細晶氧化鋁粉代替所述步驟2)中的工藝細晶α－氧化鋁作為晶種，重復所述步驟1)-5)3次，制得氧化鋁粉體原晶為95nm的納米氧化鋁晶種。

實施例2

1)取55kg工業(yè)級的含有總質(zhì)量分數(shù)為0.4％的氧化硅、氧化鈉等雜質(zhì)的擬薄水鋁石和150kg的水在90℃下混合，加硝酸控制pH值為3.5，攪拌均勻形成溶膠；

2)將4kg的工業(yè)細晶α－氧化鋁作為原始晶種加入所述溶膠中，再加入0.6kg的六偏磷酸鈉和0.8kg的納米碳溶膠，在高速攪拌磨中研磨7小時，得到混合溶膠；

其中，工業(yè)細晶α－氧化鋁的一次粒徑為0.45μm，中值粒徑D50為0.8μm，磨介用直徑為2mm的氧化鋯球，磨料、磨介、水的質(zhì)量比例為1：1：10；

3)將所述混合溶膠置于溫度為98℃的氮氣氣氛環(huán)境下控溫6小時；

4)將所述步驟3)中靜置過的混合溶膠置于90℃的氮氣氣氛環(huán)境下干燥形成凝膠，再置于120℃的氮氣氣氛環(huán)境下繼續(xù)干燥形成水分質(zhì)量分數(shù)為23％的干凝膠，將得到的干凝膠破碎至180μm以下；

5)將所述步驟4)制得的干凝膠置于1200℃下保溫5小時后，置于高頻振動箱中冷卻，再在高速攪拌磨中研磨5小時，干燥后得到細晶氧化鋁粉；

其中，研磨時磨介用直徑為2mm的氧化鋯球，磨料、磨介、水的質(zhì)量比例為1：1：10；

6)將所述步驟5)中得到的細晶氧化鋁粉代替所述步驟2)中的工藝細晶α－氧化鋁作為晶種，重復所述步驟1)-5)3次，制得氧化鋁粉體原晶為92nm的納米氧化鋁晶種。

實施例3

1)取55kg工業(yè)級的含有總質(zhì)量分數(shù)為0.4％的氧化硅、氧化鈉等雜質(zhì)的擬薄水鋁石和140kg的水在90℃下混合，加硝酸控制pH值為2.5，攪拌均勻形成溶膠；

2)將4kg的工業(yè)細晶α－氧化鋁作為原始晶種加入所述溶膠中，再加入0.8kg的六偏磷酸鈉和0.6kg的納米碳溶膠，在高速攪拌磨中研磨8小時，得到混合溶膠；

其中，工業(yè)細晶α－氧化鋁的一次粒徑為0.45μm，中值粒徑D50為0.8μm，磨介用直徑為2mm的氧化鋯球，磨料、磨介、水的質(zhì)量比例為1：1：10；

3)將所述混合溶膠置于溫度為98℃的氮氣氣氛環(huán)境下控溫6小時；

4)將所述步驟3)中靜置過的混合溶膠置于95℃的氮氣氣氛環(huán)境下干燥形成凝膠，再置于110℃的氮氣氣氛環(huán)境下繼續(xù)干燥形成水分質(zhì)量分數(shù)為23％的干凝膠，將得到的干凝膠破碎至180μm以下；

5)將所述步驟4)制得的干凝膠置于1150℃下保溫7小時后，置于高頻振動箱中冷卻，再在高速攪拌磨中研磨6小時，干燥后得到細晶氧化鋁粉；

其中，研磨時磨介用直徑為2mm的氧化鋯球，磨料、磨介、水的質(zhì)量比例為1：1：10；

6)將所述步驟5)中得到的細晶氧化鋁粉代替所述步驟2)中的工藝細晶α－氧化鋁作為晶種，重復所述步驟1)-5)3次，制得氧化鋁粉體原晶為90nm的納米氧化鋁晶種。

通過以上實施例制成的納米氧化鋁晶種，原晶細小、分散性好、成本低，可廣泛用于精細陶瓷和磨料磨具行業(yè)用于細晶氧化鋁制造。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用。它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域。對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改。因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)。