一種用氧化鋁碳熱氮化真空熱分解制備金屬鋁的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用氧化侶碳熱氮化真空熱分解制備金屬侶的方法，屬于真空冶金
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 侶是地殼中含量最多的金屬元素，含量約為8.0%。侶元素在地殼中的含量居第S 位，其使用量在金屬中居第二位，僅次于鋼鐵。而自然界中存在的是侶的化合物，單質(zhì)侶在 自然界中是不存在的。由于侶在干燥空氣中極易與氧氣形成致密氧化膜，形成氧化侶使內(nèi) 層不被繼續(xù)氧化；物質(zhì)的用途在很大程度上取決于物質(zhì)的性質(zhì)。因?yàn)閭H有多種優(yōu)良性能，所 W侶有著較為廣泛的用途。
[0003] 侶及侶合金是當(dāng)前用途較為廣泛、最經(jīng)濟(jì)適用的材料之一。侶具有強(qiáng)度低、塑性好 的優(yōu)點(diǎn)，侶廣泛應(yīng)用于電導(dǎo)材料、電線電纜工業(yè)、和無線電工業(yè)中。侶合金廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、 汽車、火車、船舶等制造工業(yè)等。同時(shí)侶也極易形成各種侶制品，并廣泛用于包裝香煙、糖果 等。侶的表面因有致密的氧化物保護(hù)膜，不易受到腐蝕，常被用來制造化學(xué)反應(yīng)器、醫(yī)療器 械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。
[0004] 目前，世界上所有的侶都是由電解法從氧化侶中提取出來的。侶電解工業(yè)采用霍 爾-埃魯冰晶石-氧化侶融鹽電解法，即W冰晶石為主的氣化鹽作為烙劑，氧化侶為烙質(zhì)組 成多相電解質(zhì)體系。而該侶電解過程需要消耗大量資源，排放大量的溫室氣體和全氣碳化 物有毒氣體（PFCs)。
[0005] 在侶冶煉新方法的研究上，國內(nèi)外主要圍繞高爐煉侶法、離子液體電解法、直接 碳熱還原法W及間接碳熱還原法(氯化法、氮化法）等方面開展工作。由氮化侶提取金屬 侶的研究主要集中于電解法，理論上，在700°C時(shí)氮化侶分解為侶和氮，氮化侶的理論分 解電壓為0. 75V。此分解電壓比AlClsU)，AlsSsk)和Al2〇3(s)在相同的溫度下分解電 壓要低。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來看，電解具有良好的潛力，可用于從氮化侶中提取侶。但面 臨的主要挑戰(zhàn)之一是很難找到一種適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)溶解非常穩(wěn)定的AlN(s)。Bonomi等人 對(duì)660-700°C(LisN-LiCl)電解液的溶解度和A1N的烙鹽電解進(jìn)行了有限的研究。該個(gè) 系統(tǒng)的電流效率為83%，陰極電流密度約1.5A/cm2。最終結(jié)果表明此過程沒有成功。Goto 等人使用LiCl-KCl-LisN烙鹽體系在侶基板上沉積A1N薄膜。Yan等人在1133k溫度 下化Cl2_NaCl烙體中進(jìn)行了直接電化學(xué)還原氮化侶實(shí)驗(yàn)，最后在陰極板上觀察到純侶液 滴，但是該個(gè)實(shí)驗(yàn)過程只有3-5%的產(chǎn)量。西安電子科技大學(xué)技術(shù)物理學(xué)院和西北工業(yè)大 學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于高溫真空下氮化侶材料的穩(wěn)定性研究， 對(duì)A1N進(jìn)行熱力學(xué)行為分析并得出在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下A1N的分解溫度為2708K，在真空度為 1〇-1化、1〇-2化、1〇-3化時(shí)，A1N的熱分解溫度分別為1556K、1454K、1365K，A1N的穩(wěn)定性隨 著真空度的上升而下降。Dewan等人通過熱力學(xué)計(jì)算得出在壓強(qiáng)降到0.IWa時(shí)，氮化侶的 熱分解反應(yīng)溫度可W降到1700°C。 本發(fā)明申請(qǐng)為昆明理工大學(xué)真空冶金國家工程實(shí)驗(yàn)室長期從事有色金屬的真空冶 金研究工作，針對(duì)氮化侶熱分解反應(yīng)的特點(diǎn)，提出的氧化侶高溫真空碳熱氮化制備氮化侶 (1850-2050K、5-60Pa)熱分解制備金屬侶的思路，并制備得到了金屬侶。該方法有效克服 了電解法制備侶的過程能量消耗大和不易找到合適電極材料的的缺點(diǎn)，為制備侶提出了一 種新的方法。該方法的原理在于；在高溫真空條件下由氧化侶碳熱氮化制備氮化侶，進(jìn)而由 氮化侶高溫真空熱分解反應(yīng)制備金屬侶，A1N在約1850~2050K、5-60化下分解為金屬侶和 N2(g)，反應(yīng)如下； 2AlN{g) =2*4/(g) +N2(：g) (1850~2050K、5~60Pa) 本發(fā)明具有生產(chǎn)原料廉價(jià)、易得，工藝流程短，操作簡單等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，本發(fā)明提供一種用氧化侶碳熱氮化真空熱 分解制備金屬侶的方法。本發(fā)明W氧化侶為提取金屬侶的原料，碳為還原劑，通入氮?dú)?，?過碳熱還原氮化過程使氧化侶轉(zhuǎn)變成氮化侶，氮化侶在真空系統(tǒng)的壓力為5~60化的真空 爐中，在溫度為1850-2050K的條件下熱分解制得結(jié)晶良好的固體金屬侶，降低金屬侶的生 產(chǎn)成本，本發(fā)明通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0007] 一種用氧化侶碳熱氮化真空熱分解制備金屬侶的方法，其具體步驟如下： 步驟1、首先將向氧化侶中加入氧化侶摩爾量3~6倍的碳，然后混合均勻得到混合物 料，將混合物料WlOMPa~50MPa壓力壓制成塊狀，在通入氮?dú)?、壓力?0化~50化、溫度 1300~1700°C的條件下還原得到氮化侶巧日（a)所示）； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3C0 (g) (a) 步驟2、將步驟1得到的氮化侶在壓力為5~60化、溫度為1850~2050K的條件下進(jìn) 行熱分解反應(yīng)20~60min巧日（b)所示)，然后冷卻至室溫，在冷凝器上收集得到結(jié)晶良好 的金屬侶。
[000引 2JW喊二2A!(封 +N2(g) (b) 所述步驟1中碳為粒度小于0. 5mm的碳粉。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明流程簡單，便于操作，原料價(jià)格低廉、易得，過程中無 需加入任何其他添加劑W及煤燃料等。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明工藝流程圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1真空熱分解得到的金屬侶的XRD圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[001引實(shí)施例1 如圖1所示，該用氧化侶碳熱氮化真空熱分解制備金屬侶的方法，其具體步驟如下： 步驟1、首先將向Imol氧化侶（102g)中加入氧化侶摩爾量4倍的碳（4mol，48g)，然后 混合均勻得到混合物料，將混合物料W30MI^a壓力壓制成塊狀，在通入25g/h氮?dú)?、壓力?50Pa、溫度1700°C的條件下還原化得到氮化侶巧日（a)所示）；其中碳為粒度小于0. 5mm的 碳粉； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3CO(g) (a) 步驟2、將步驟1得到的3mol氮化侶（123g)在壓力為60化、溫度為2050K的條件下進(jìn) 行熱分解反應(yīng)20min巧日（b)所示)，然后冷卻至室溫，在冷凝器上收集得到結(jié)晶良好的金屬 侶。
[0013] 2AlN{g)=2Al{g)+Ns(g) (b) 制備得到的金屬侶XRD圖譜如圖2所示，其純度〉95wt. %。
[0014] 實(shí)施例2 如圖1所示，該用氧化侶碳熱氮化真空熱分解制備金屬侶的方法，其具體步驟如下： 步驟1、首先將向Imol氧化侶（102g)中加入氧化侶摩爾量5倍的碳（5mol，60g)，然后 混合均勻得到混合物料，將混合物料W20MI^a壓力壓制成塊狀，在通入15g/h氮?dú)?、壓力?lOPa、溫度1600°C的條件下還原化得到氮化侶巧日（a)所示）；其中碳為粒度小于0. 5mm的 碳粉； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3C0 (g) (a) 步驟2、將步驟1得到的2mol氮化侶（82g)在壓力為40化、溫度為2000K的條件下進(jìn) 行熱分解反應(yīng)30min巧日（b)所示)，然后冷卻至室溫，在冷凝器上收集得到結(jié)晶良好的金屬 侶。
[00巧]2差V(.幻=2述(幻+化(客) (b) 制備得到的金屬侶其純度〉98wt. %。
[0016] 實(shí)施例3 如圖1所示，該用氧化侶碳熱氮化真空熱分解制備金屬侶的方法，其具體步驟如下： 步驟1、首先將向Imol氧化侶（102g)中加入氧化侶摩爾量6倍的碳（6mol，72g)，然后 混合均勻得到混合物料，將混合物料W40MI^a壓力壓制成塊狀，在通入20g/h氮?dú)?、壓力?30Pa、溫度1600°C的條件下還原化得到氮化侶巧日（a)所示）；其中碳為粒度小于0. 5mm的 碳粉； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3C0 (g) (a) 步驟2、將步驟1得到的0. 5mol氮化侶（20. 5g)在壓力為20化、溫度為1950K的條件 下進(jìn)行熱分解反應(yīng)40min巧日（b)所示)，然后冷卻至室溫，在冷凝器上收集得到結(jié)晶良好的 金屬侶。
[0017] 2AlN{g)= 2J/(g) + Na(g) (b) 制備得到的金屬侶其純度〉92wt. %。
[0018] 實(shí)施例4 如圖1所示，該用氧化侶碳熱氮化真空熱分解制備金屬侶的方法，其具體步驟如下： 步驟1、首先將向Imol氧化侶（102g)中加入氧化侶摩爾量3倍的碳（3mol，48g)，然后 混合均勻得到混合物料，將混合物料WSOMI^a壓力壓制成塊狀，在通入20g/h氮?dú)?、壓力?20Pa、溫度1300°C的條件下還原化得到氮化侶巧日（a)所示）；其中碳為粒度小于0. 5mm的 碳粉； Al2〇3(s) +3C(s) +馬（g) =2A1N(s) +3C0 (g) (a) 步驟2、將步驟1得到的Imol氮化侶（41g)在壓力為10化、溫度為1900K的條件下進(jìn) 行熱分解反應(yīng)50min巧日（b)所示)，然后冷卻至室溫，在冷凝器上收集得到結(jié)晶良好的金屬 侶。
[0019] 2AlN(g)= 2Ji(g)+N2(g) (b) 制備得到的金屬侶其純度〉95wt. %。
[0020] 實(shí)施例5 如圖1所示，該用氧化侶碳熱氮化真空熱分解制備金屬侶的方法，其具體步驟如下： 步驟1、首先將向Imol氧化侶（102g)中加入氧化侶摩爾量4倍的碳（4mol，64g)，然后 混合均勻得到混合物料，將混合物料W 壓力壓制成塊狀，在通入20g/h氮?dú)狻毫?30Pa、溫度1500°C的條件下還原化得到氮化侶巧日（a)所示）；其中碳為粒度小于0. 5mm的 碳粉； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3C0 (g) (a) 步驟2、將步驟1得到的1. 5mol氮化侶（61. 5g)在壓力為20化、溫度為1850K的條件 下進(jìn)行熱分解反應(yīng)60min巧日（b)所示)，然后冷卻至室溫，在冷凝器上收集得到結(jié)晶良好的 金屬侶。
[0021] 2-4冊(cè)(幻=2-4/(.弓)+化(夏) (b) 制備得到的金屬侶其純度〉92wt. %。
[0022] W上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述 實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可W在不脫離本發(fā)明宗旨的前 提下作出各種變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用氧化鋁碳熱氮化真空熱分解制備金屬鋁的方法，其特征在于具體步驟如下： 步驟1、首先將向氧化鋁中加入氧化鋁摩爾量3~6倍的碳，然后混合均勻得到混合物 料，將混合物料以IOMPa~50MPa壓力壓制成塊狀，在通入氮?dú)狻毫镮OPa~50Pa、溫度 1300~1700°C的條件下還原得到氮化鋁； 步驟2、將步驟1得到的氮化鋁在壓力為5~60Pa、溫度為1850~2050K的條件下進(jìn) 行熱分解反應(yīng)20~60min，然后冷卻至室溫，在冷凝器上收集得到結(jié)晶良好的金屬鋁。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用氧化鋁碳熱氮化真空熱分解制備金屬鋁的方法，其特征在 于：所述步驟1中碳為粒度小于〇. 5mm的碳粉。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用氧化鋁碳熱氮化真空熱分解制備金屬鋁的方法，屬于真空冶金技術(shù)領(lǐng)域。首先將向氧化鋁中加入碳，然后混合均勻得到混合物料，將混合物料壓制成塊狀，在通入氮?dú)?、壓力?0Pa～50Pa、溫度1300～1700℃的條件下還原得到氮化鋁；將得到的氮化鋁在壓力為5～60Pa、溫度為1850～2050K的條件下進(jìn)行熱分解反應(yīng)20～60min，然后冷卻至室溫，在冷凝器上收集得到結(jié)晶良好的金屬鋁。本發(fā)明流程簡單，便于操作，原料價(jià)格低廉、易得。
【IPC分類】C22B21/00
【公開號(hào)】CN104988335
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510334601
【發(fā)明人】陳秀敏, 王家駒, 盧勇, 楊斌, 郁青春, 馬文會(huì), 劉大春, 徐寶強(qiáng), 戴永年, 蔣文龍, 龍萍, 王飛, 吳鑒, 鄧勇, 曲濤, 熊恒, 李一夫, 周曉奎, 姚耀春, 謝克強(qiáng), 伍繼君
【申請(qǐng)人】昆明理工大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年6月17日