制備AlN粉末的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域，具體而言，涉及制備AlN粉末的方法，該制備AlN粉末的方法，包括如下步驟：將低品位鋁土礦和氟化物混合，反應(yīng)，最終得到AlF3粉末；利用所述AlF3粉末制備AlN粉末。本發(fā)明提供的制備AlN粉末的方法，與相關(guān)技術(shù)中的制備AlN粉末的方法相比，由于其使用的是價(jià)格低廉的低品質(zhì)鋁土礦，且通過與氟化物反應(yīng)，制備AlF3粉末的純度高、顆粒均勻、產(chǎn)率高，進(jìn)而利用AlF3粉末生成AlN粉末的純度高、顆粒均勻，生成AlN粉末的產(chǎn)率高，所以降低了AlN粉末的生產(chǎn)成本。
【專利說明】制備AIN粉末的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域，具體而言，涉及制備AlN粉末的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]AlN (氮化鋁)是原子晶體，屬類金剛石氮化物。由于AlN具有高導(dǎo)熱性、低熱膨脹系數(shù)、高電絕緣性、優(yōu)良的抗熱震性、機(jī)械強(qiáng)度高、優(yōu)良的抗腐蝕性，而且無毒等特性，所以被廣泛應(yīng)用于集成電路、微波集成電路、電力電子模塊、激光二極管、坩堝、刀具材料和電子半導(dǎo)體等領(lǐng)域。在當(dāng)代社會中，AlN是應(yīng)用在高新【技術(shù)領(lǐng)域】中最廣泛的材料之一。 [0003]目前，相關(guān)技術(shù)中制備AlN粉末的方法主要有以下幾種:直接氮化法、自蔓延高溫合成法、化學(xué)氣相沉淀法和碳熱還原法等。直接氮化法是在高溫氮?dú)庵?，鋁粉直接與氮?dú)饣仙葾lN粉末，但是，直接氮熱法中所用的鋁粉價(jià)格高，且所述制備AlN粉末的顆粒不均勻、粒徑較粗、成分純度低；自蔓延高溫合成法將鋁粉在高壓氮?dú)庵斜煌饨鐭嵩袋c(diǎn)燃后，金屬鋁和氮?dú)庵g的高化學(xué)反應(yīng)熱使反應(yīng)自維持下去，直到鋁粉完全轉(zhuǎn)化成為AlN粉末，其實(shí)質(zhì)與直接氮熱法相同；化學(xué)氣相沉積法是利用鋁的揮發(fā)性化合物，即有機(jī)鋁與氨氣或氮?dú)夥磻?yīng)，從氣相中沉淀析出AlN粉末，但是化學(xué)氣相沉積法中，所用到的有機(jī)鋁的價(jià)格很高，且生成AlN粉末的產(chǎn)率不高，難以得到廣泛的工業(yè)應(yīng)用；碳熱還原法是以氧化鋁和碳粉的混合粉末為原料，在高溫下的流動氮?dú)庵邪l(fā)生還原氮化反應(yīng)生成AlN粉末，但是，碳熱還原法對于Al2O3純度和粒徑，碳粉的純度和粒徑要求都很高。
[0004]上述幾種制備AlN粉末的方法，由于對原材料的要求均很高，需要利用鋁粉、有機(jī)鋁、氧化鋁和碳粉等作為原材料，而且對其純度要求高，故原材料的價(jià)格較高，再加上制備得到的AlN粉末的純度低、AlN粉末的顆粒不均勻，或者生成AlN粉末的產(chǎn)率低等因素，導(dǎo)致AlN粉末的生產(chǎn)成本增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供制備AlN粉末的方法，以解決上述的問題。
[0006]在本發(fā)明的實(shí)施例中提供了制備AlN粉末的方法，包括如下步驟:
[0007]將低品位鋁土礦和氟化物混合，反應(yīng)，最終得到AlF3粉末；
[0008]利用AlF3粉末制備AlN粉末。
[0009]進(jìn)一步地，將低品位鋁土礦和氟化物混合，反應(yīng)，最終得到AlF3粉末的步驟中，低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為50%~60% ;氟化物占低品位鋁土礦和氟化物總重量的重量百分比為20%~60% ；
[0010]和/或，步驟利用AlF3粉末制備AlN粉末中，AlN粉末的純度為99%~99.9%，粒徑為30nm~3 μ m。
[0011]進(jìn)一步地，氟化物為固態(tài)氟化物，上述步驟將低品位鋁土礦和氟化物混合，煅燒，最終得到AlF3粉末，具體包括如下步驟:
[0012]將低品位鋁土礦和固態(tài)氟化物混合，得到混合粉末；[0013]將混合粉末煅燒，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體；
[0014]將混合氣體驟冷至300°C~500°C，得到AlF3粉末。
[0015]進(jìn)一步地，混合粉末的粒徑≤3mm ;固態(tài)氟化物為以下物質(zhì)中任一種:NH4HF2、CaF2' NaF、NH4F ；
[0016]和/或，煅燒的溫度為1250°C~1500°C，煅燒時間為3h~15h ；
[0017]和/或，將混合氣體驟冷至300°C~500°C，得到AlF3粉末的步驟中，驟冷的速率為 500C /min ~300°C /min ；A1F3 純度為 99% ~99.9%。
[0018]進(jìn)一步地，氟化物為液態(tài)氟化物，上述步驟將低品位鋁土礦和氟化物混合，反應(yīng)，最終得到AlF3粉末，具體包括如下步驟:
[0019]將低品位鋁土礦和液態(tài)氟化物混合，得到混合物；
[0020]將混合物在預(yù)定溫度下反應(yīng)，得到含有固態(tài)AlF3混合物，將含有固態(tài)AlF3混合物升溫至1300°C升華提純后得到AlF3粉末。
[0021 ] 進(jìn)一步地，液態(tài)氟化物為HF ；
[0022]和/或，在將混合物在預(yù)定溫度下反應(yīng)，得到含有固態(tài)AlF3混合物的步驟中，預(yù)定溫度為95°C~295°C，反應(yīng)時間為3h~15h。
[0023]進(jìn)一步地,步驟利用所述AlF3粉末制備AlN粉末,具體包括如下步驟:
[0024]將AlF3粉末煅燒，得到氣態(tài)AlF3 ；
[0025]將氣態(tài)AlF3與水蒸汽進(jìn)行水解反應(yīng)，生成固體Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物；
[0026]將氣固混合物驟冷至100°C~200°C，經(jīng)過聚集、分離、脫酸處理，得到Al2O3粉末；
[0027]將Al2O3粉末與碳黑粉末混合，并在N2環(huán)境下煅燒，得到含有AlN顆粒的固體混合物；
[0028]將固體混合物加熱至600°C~800°C，進(jìn)行脫碳處理，得到AlN粉末。
[0029]進(jìn)一步地，將AlF3粉末煅燒，得到氣態(tài)AlF3的步驟中，煅燒的溫度為1250°C~1500°C，時間為 2h ~15h。
[0030]和/或，將氣態(tài)AlF3與水蒸汽進(jìn)行水解反應(yīng)，生成固態(tài)Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物的步驟中，水解溫度為1000°C~1200°C，固態(tài)AlF3與水蒸汽的體積比為1: 1.5~100 ;
[0031]和/或，將氣固混合物驟冷至100°C~200°C，得到Al2O3粉末的步驟中，冷卻速率為 500C /min ~600°C /min ；A1203 粉末的純度為 99.9% ~99.99%，粒徑≤ IOOnm0
[0032]和/或，將Al2O3粉末與碳黑粉末混合，并在N2環(huán)境下煅燒，得到含有AlN顆粒的固體混合物的步驟中，Al2O3粉末與碳黑粉末的質(zhì)量摩爾分?jǐn)?shù)比為1: 3~5;碳黑粉末的粒徑≤I μ m ;煅燒的溫度為1500°C~1700°C，時間為2h~6h。
[0033]進(jìn)一步地，步驟利用AlF3粉末制備AlN粉末，具體包括如下步驟:
[0034]將AlF3粉末煅燒至1250°C~1500°C，得到氣態(tài)AlF3 ；
[0035]將氣態(tài)AlF3與氨氣反應(yīng)，得到AlN粉末。
[0036]進(jìn)一步地，將AlF3粉末煅燒至1250°C~1500°C，得到氣態(tài)AlF3的步驟中，煅燒時間為2h~5h ;
[0037]和/或，將氣態(tài)AlF3與氨氣反應(yīng)，得到AlN粉末的步驟中，氣態(tài)AlF3與氨氣體積比為I~50: I。
[0038]本發(fā)明實(shí)施例提供的制備AlN粉末的方法，與相關(guān)技術(shù)中的制備AlN粉末的方法相比，由于其使用的是價(jià)格低廉的低品質(zhì)鋁土礦，且通過與氟化物反應(yīng)，制備AlF3粉末的純度高、顆粒均勻、產(chǎn)率高，進(jìn)而利用AlF3粉末生成AlN粉末的純度高、顆粒均勻，生成AlN粉末的產(chǎn)率高，所以降低了 AlN粉末的生產(chǎn)成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1示出了本發(fā)明提供的制備AlN粉末的方法的總體流程圖；
[0040]圖2示出了本發(fā)明提供的制備AlN粉末的方法的一種制備AlF3粉末的流程圖；
[0041]圖3示出了本發(fā)明提供的制備AlN粉末的方法的另一種制備AlF3粉末的流程圖；
[0042]圖4示出了本發(fā)明提供的一種實(shí)施例制備AlN粉末的流程圖；
[0043]圖5示出了本發(fā)明提供的另一種實(shí)施例制備AlN粉末的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面通過具體的實(shí)施例子并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0045]本發(fā)明實(shí)施例提供了制備AlN粉末的方法，如圖1所示，包括如下步驟:
[0046]步驟101:將低品位鋁土礦和氟化物混合，反應(yīng)，最終得到AlF3粉末；
[0047]步驟102:利用AlF3粉末制備AlN粉末。
[0048]本發(fā)明實(shí)施例中提供的制備AlN粉末的方法中，利用氟化物(AFz)中F元素與低品位鋁土礦(MxOy.HAl2O3)`中的Al元素發(fā)生反應(yīng)，生成高純度、且粒徑小而均勻的AlF3粉末，如式(I);再將AlF3粉末經(jīng)過水解，得到Al2O3粉末，如式(2)，Al2O3粉末與碳黑粉末反應(yīng)得到AlN粉末，如式(3);或者，直接將AlF3粉末與NH3反應(yīng)得到AlN粉末，如式(4)。該方法的反應(yīng)方程通式如下:
[0049]MxOy.nAl203+AFz — Mx0y+A20z+A1F3 (I)
[0050]2A1F3+3H20 — A1203+6HF(2)
[0051]Al2O3 (s)+3C (s)+N2 (g) — 2A1N (s)+3C0(g) (3)
[0052]AIF3+NH3 — A1N+3HF(4)
[0053]由于其使用的是價(jià)格低廉的低品質(zhì)鋁土礦，且通過與氟化物反應(yīng)，制備AlF3粉末的純度高、顆粒均勻、產(chǎn)率高，進(jìn)而利用AlF3粉末生成AlN粉末的純度高、顆粒均勻，生成AlN粉末的產(chǎn)率高，所以降低了 AlN粉末的生產(chǎn)成本。
[0054]為了能得到純度更加高的AlN粉末，優(yōu)選地，在步驟101中，低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為50%~60% ;氟化物占低品位鋁土礦和氟化物總重量的重量百分比為20%~60%，制備的AlN粉末的純度為99%~99.9%,粒徑為30nm~3 μ m。
[0055]在步驟101中，將低品位鋁土礦和固態(tài)氟化物混合，煅燒，驟冷，最終得到八1匕粉末，如圖2所示，具體包括如下步驟:
[0056]步驟10111:將低品位鋁土礦和固態(tài)氟化物混合，得到混合粉末；
[0057]步驟10112:將混合粉末煅燒，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體；
[0058]步驟10113:將混合氣體驟冷至300°C~500°C，得到AlF3粉末。
[0059]為了使反應(yīng)更加的充分，在步驟10111中，混合粉末的粒徑< 3mm，這樣低品位鋁土礦和固態(tài)氟化物可以充分的接觸，能使反應(yīng)更充分。固態(tài)氟化物為以下物質(zhì)中任一種:NH4HF2, CaF2, NaF, NH4F,以上所列的固態(tài)氟化物，價(jià)格比較便宜，而且供給量充足，可以進(jìn)一步的降低了生產(chǎn)成本。
[0060]在步驟10112中，煅燒的溫度為1250°C~1500°C，煅燒時間為3h~15h。在此條件下，將混合粉末進(jìn)行煅燒，所生成的AlF3的效率高，可以使低品位鋁土礦中的Al元素充分的與固態(tài)氟化物中的F元素反應(yīng)。
[0061]步驟10113中的驟冷的速率為50°C /min~300°C /min，通過此驟冷的速率可以保證AlF3粉末的純度在99%~99.9%。保證分離出來的AlF3粉末的質(zhì)量，進(jìn)而提高了利用AlF3粉末所制備的AlN粉末的質(zhì)量，制備的AlN粉末的純度為99%~99.9%，粒徑為30nm~3 μ m0
[0062]在步驟101中，將低品位鋁土礦和液態(tài)氟化物混合，反應(yīng)，升華，最終得到八1&粉末,如圖3所示,具體包括如下步驟:
[0063]步驟10121:將低品位鋁土礦和液態(tài)氟化物混合，得到混合物；
[0064]步驟10122:將混合物在預(yù)定溫度下反應(yīng)，得到含有固態(tài)AlF3混合物；
[0065]步驟10123:將含有固態(tài)AlF3混合物升溫至1300°C升華提純后得到AlF3粉末。
[0066]優(yōu)選地，在步驟10121中，液態(tài)氟化物為HF，因?yàn)镠F的價(jià)格比較便宜，而且供應(yīng)量充足，能夠進(jìn)一步的降低生產(chǎn)成本。
[0067]在步驟10122中，預(yù)定溫度為95°C~295°C，反應(yīng)時間為3h~15h。在此條件下反應(yīng)，混合物中的固態(tài)AlF3的含量高，也就說固態(tài)AlF3的產(chǎn)率高，通過上述步驟所得的AlF3粉末的純度在99%~99.9%。另外，通過低品位鋁土礦與液態(tài)氟化物反應(yīng)，由于其反應(yīng)溫度低，所以能進(jìn)一步的節(jié)省生產(chǎn)成本。
[0068]在步驟102中，AlF3粉末可以經(jīng)過煅燒，得到氣態(tài)AlF3，并進(jìn)行水解反應(yīng)得到Al2O3,通過Al2O3與碳黑粉末反應(yīng)來制備AlN粉末,如圖4所示,具體包括如下步驟:
[0069]步驟10211，將AlF3粉末煅燒，得到氣態(tài)AlF3 ；
[0070]步驟10212，將氣態(tài)AlF3與水蒸汽進(jìn)行水解反應(yīng)，生成固體Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物；
[0071]步驟10213，將氣固混合物驟冷至100°C~200°C，經(jīng)過聚集、分離、脫酸處理，得到Al2O3粉末;
[0072]步驟10214，將Al2O3粉末與碳黑粉末混合，并在N2環(huán)境下煅燒，得到含有AlN顆粒的固體混合物；
[0073]步驟10215，將固體混合物加熱至600°C~800°C，進(jìn)行脫碳處理，得到AlN粉末。
[0074]為了使AlF3粉末升華的更充分，優(yōu)選地，步驟10211中的煅燒的溫度為1250°C~1500°C，時間為2~5h。這樣可以使AlF3粉末充分的升華成氣態(tài)的AlF3，更加的有利于其與水蒸氣充分的接觸，使水解反應(yīng)更充分。
[0075]為了更好的控制Al2O3粉末的粒徑，在步驟10212中，水解溫度為1000°C~1200°C，氣態(tài)AlF3與水蒸汽的體積比為1: 1.5~100。
[0076]在步驟10213中，冷卻速率為50°C /min~600°C /min，可以使Al2O3與HF充分的分離，可以得到Al2O3粉末的純度為99.9%~99.99%，粒徑≤lOOnm。另外，可以通過對水蒸氣的含量、水解溫度、驟冷速率等工藝參數(shù)來控制Al2O3顆粒的形核和長大速率，從而得到不同粒徑的Al2O3粉末，達(dá)到控制AlN粉末粒徑的目的。
[0077]在步驟10214中，Al2O3粉末與碳黑粉末的質(zhì)量摩爾分?jǐn)?shù)比為1: 3~5，碳黑粉末的粒徑≤1 μ m,碳黑粉末的量多于Al2O3粉末的量,碳黑粉末可以將Al2O3粉末充分包圍,而且碳黑粉末的粒徑≤1 μ m，使二者的接觸面積增加，提高了 AlN生產(chǎn)效率。
[0078]在步驟10214中，煅燒的溫度為1500°C~1700°C，時間為2h~6h。可以使氨氣與Al2O3粉末反應(yīng)更加的充分，使AlN粉末的純度較高，粒徑較小。
[0079]本實(shí)施例中的制備AlN粉末的方法，是以低品位的鋁土礦作為原料，雖然生成的AlF3中含有較多的K、Na、Ca和Mg等雜質(zhì)，但是在隨后的高溫煅燒過程中得到純化，因此能夠利用低成本的原料制備出高純度的Al2O3粉末，并且能夠通過控制水蒸氣的含量、水解溫度、冷卻速率等工藝參數(shù)來控制Al2O3粉末的粒徑和形貌，進(jìn)而得到不同粒徑的AlN粉末，具有工藝步驟少、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
[0080]步驟102中，AlF3粉末可以經(jīng)過煅燒，直接與NH3反應(yīng)，得到AlN粉末，如圖5所示，具體包括如下步驟:
[0081]步驟10221，將AlF3粉末煅燒至1250°C~1500°C，得到氣態(tài)AlF3 ；
[0082]步驟10222，將氣態(tài)AlF3與NH3反應(yīng)，得到AlN粉末。
[0083]優(yōu)選地，步驟10321中的煅燒時間為2~5h ;
[0084]在步驟10222，所述氣態(tài)AlF3與氨氣體積比為1~50: 1，可以使氣態(tài)AlF3與NH3充分的接觸，使反應(yīng)更加的充分，提高AlN的生產(chǎn)效率。
[0085]本實(shí)施例中的制備AlN粉末的方法，是以低品位鋁土礦為原材料，其價(jià)格低廉，雖然生成的AlF3中含有較多的K、Na、Ca和Mg等雜質(zhì)，但是在隨后的高溫煅燒過程中得到純化，得到高純度、顆粒均勻的AlF3粉末，且其產(chǎn)率高。進(jìn)一步地，利用AlF3粉末和NH3反應(yīng)生成高純度、顆粒均勻且粒徑小的AlN粉末，而且AlN的產(chǎn)率高，具有工藝步驟少、成本低的特點(diǎn)。
[0086]以下為本實(shí)施提供的制備AlN粉末的方法的具體實(shí)施例:
[0087]實(shí)施例1:
[0088]以低品位鋁土礦和NH4F為原材料制備AlN粉末:
[0089]在低品位的鋁土礦中加入NH4F,得到混合粉末，其粒徑< 3_，混合粉末中NH4F的重量百分比為20%，其中低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為50%。將混合粉末煅燒至1250°C，煅燒時間為3h，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體，混合氣體中除了 AlF3以外，可能還含有SiF4或TiF4等雜質(zhì)。將該混合氣體驟冷到300°C，驟冷速率為50°C /min,混合氣體中只有AlF3轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，進(jìn)行氣固分離，將雜質(zhì)去除后得到細(xì)顆粒AlF3粉末，其純度為99%。將細(xì)顆粒AlF3粉末煅燒到1250°C，煅燒時間為9h得到氣態(tài)AlF3,并通入水蒸氣，水蒸氣與氣態(tài)AlF3的體積比為100:1，水解溫度為1000°C，水解后生成固體的Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物。氣固混合物驟冷至100°C，冷卻速率為50°C /min，再經(jīng)過聚集、分離、脫酸，得到細(xì)顆粒Al2O3粉末，其純度為99.9%。在Al2O3粉末中添加碳黑粉末，Al2O3粉末與碳黑粉末的摩爾分?jǐn)?shù)比為1:3，將二者混合均勻后，用實(shí)驗(yàn)室中真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行碳熱還原，在氮?dú)猸h(huán)境下煅燒2h，煅燒溫度為1500°C，得到含AlN顆粒的固體混合物，固體混合物除了含有AlN顆粒，還含有沒有反應(yīng)完全的碳黑粉末。將固體混合物用實(shí)驗(yàn)室中的馬弗爐中加熱至600°C，進(jìn)行脫碳處理，得到AlN粉末，AlN粉末的平均粒徑為0.8 μ m，其純度為99.2%。上述反應(yīng)方程式如下:
[0090]A1203+6NH4F — 6NH3+3H20+2A1F3[0091 ] 2A1F3+3H20 — A1203+6HF
[0092]Al2O3 (s) +3C (s) +N2 (g) — 2A1N (s) +3C0 (g)
[0093]實(shí)施例2:
[0094]以低品位鋁土礦和NH4F為原材料制備AlN粉末:
[0095]在低品位的鋁土礦中加入NH4F,得到混合粉末，其粒徑< 3_，混合粉末中NH4F的重量百分比為60%，其中低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為60%。將混合粉末煅燒至1500°C，煅燒時間為15h，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體，混合氣體中除了 AlF3以外，可能還含有SiF4或TiF4等雜質(zhì)。將該混合氣體驟冷到500°C，驟冷速率為300°C /min,混合氣體中只有AlF3轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，進(jìn)行氣固分離，將雜質(zhì)去除后得到細(xì)顆粒AlF3粉末，其純度為99.2%。將細(xì)顆粒AlF3粉末煅燒到1500°C，煅燒時間為15h得到氣態(tài)AlF3,并通入水蒸氣，水蒸氣與氣態(tài)AlF3的體積比為1.5:1，水解溫度為1200°C，水解后生成固體Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物。氣固混合物驟冷至200°C，冷卻速率為600°C /min,再經(jīng)過聚集、分離、脫酸，得到細(xì)顆粒Al2O3粉末，其純度為99.97%。在Al2O3粉末中添加碳黑粉末，Al2O3粉末與碳黑粉末的摩爾分?jǐn)?shù)比為1:5，將二者混合均勻后，用實(shí)驗(yàn)室中真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行碳熱還原，在氮?dú)猸h(huán)境下煅燒6h，煅燒溫度為1750°C，得到含AlN顆粒的固體混合物，固體混合物除了含有AlN顆粒，還含有沒有反應(yīng)完全的碳黑粉末。將固體混合物用實(shí)驗(yàn)室中的馬弗爐中加熱至800°C，進(jìn)行脫碳處理，得到AlN粉末，AlN粉末的平均粒徑為30nm，其純度為99.5%。
[0096]A1203+6NH4F — 6NH3+3H20+2A1F3
[0097]2A1F3+3H20 — A1203+6HF [0098]Al2O3 (s) +3C (s) +N2 (g) — 2A1N (s) +3C0 (g)
[0099]實(shí)施例3:
[0100]以低品位鋁土礦和NH4HF2為原材料制備AlN粉末:
[0101 ] 在低品位的鋁土礦中加入NH4HF2，得到混合粉末，其粒徑≤3mm,混合粉末中NH4HF2的重量百分比為40%，其中低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為55%。將混合粉末煅燒至1375°C，煅燒時間為9h，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體，混合氣體中除了 AlF3以外，可能還含有SiF4或TiF4等雜質(zhì)。將該混合氣體驟冷到400°C，驟冷速率為175°C /min,混合氣體中只有AlF3轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，進(jìn)行氣固分離，將雜質(zhì)去除后得到細(xì)顆粒AlF3粉末，其純度為99.4%。將細(xì)顆粒AlF3粉末煅燒到1375°C，煅燒時間為3h，得到氣態(tài)AlF3,并通入水蒸氣，水蒸氣與氣態(tài)AlF3的體積比為50:1，水解溫度為1100°C，水解后生成固體Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物。氣固混合物驟冷至150°C，冷卻速率為175°C /min，再經(jīng)過聚集、分離、脫酸，得到細(xì)顆粒Al2O3粉末，其純度為99.91%。在Al2O3粉末中添加碳黑粉末，Al2O3粉末與碳黑粉末的摩爾分?jǐn)?shù)比為1:4，將二者混合均勻后，用實(shí)驗(yàn)室中真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行碳熱還原，在氮?dú)猸h(huán)境下煅燒4h，煅燒溫度為1625°C，得到含AlN顆粒的固體混合物，固體混合物除了含有AlN顆粒，還含有沒有反應(yīng)完全的碳黑粉末。將固體混合物用實(shí)驗(yàn)室中的馬弗爐中加熱至700°C，進(jìn)行脫碳處理，得到AlN粉末，AlN粉末的平均粒徑為86nm，其純度為99.3%。
[0102]A1203+3NH4HF2 — 3NH3+3H20+2A1F3
[0103]2A1F3+3H20 — A1203+6HF
[0104]Al2O3 (s) +3C (s) +N2 (g) — 2A1N (s) +3C0 (g)
[0105]實(shí)施例4:[0106]以低品質(zhì)鋁土礦和NaF為原材料制備AlN粉末:
[0107]在低品位的鋁土礦中加入NaF，得到混合粉末，其粒徑≤3mm,混合粉末中NaF的重量百分比為30%，其中低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為52%。將混合粉末煅燒至1320°C，煅燒時間為8h，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體，混合氣體中除了 AlF3以外，可能還含有SiF4、TiF4和NaF等雜質(zhì)。將該混合氣體驟冷到320°C，驟冷速率為200°C /min,混合氣體中只有AlF3轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，進(jìn)行氣固分離，將雜質(zhì)去除后得到細(xì)顆粒AlF3粉末，其純度為99.6%。將細(xì)顆粒的AlF3在1250°C的溫度下煅燒2h，得到氣態(tài)AlF3,并通入NH3,氣態(tài)AlF3與NH3的體積比為1: 1，得到AlN粉末，AlN粉末的平均粒徑為83nm，其純度為99.6%。
[0108]Al203+6NaF→3Na20+2AlF3
[0109]A1F3+NH3 → A1N+3HF
[0110]實(shí)施例5:
[0111]以低品位鋁土礦和CaF2為原材料制備AlN粉末:
[0112]在低品位的鋁土礦中加入CaF2,得到混合粉末，其粒徑≤ 3_，混合粉末中CaF2的重量百分比為50%，其中低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為57%。將混合粉末煅燒至1450°C，煅燒時間為6h，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體，混合氣體中除了 AlF3以外，可能還含有SiF4、TiF4和NaF等雜質(zhì)。將該混合氣體驟冷到350°C，驟冷速率為250°C /min,混合氣體中只有AlF3轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，進(jìn)行氣固分離，將雜質(zhì)去除后得到細(xì)顆粒AlF3粉末，其純度為99.8%。將細(xì)顆粒的AlF3在1500°C的溫度下煅燒5h，得到氣態(tài)AlF3,并通入NH3,氣態(tài)AlF3與NH3的體積比為50:1，得到AlN粉末，AlN粉末的平均粒徑為42nm，其純度為99.8%。
[0113]Al203+3CaF2 → 3Ca0+2AlFs
[0114]A1F3+NH3 → A1N+3HF
[0115]實(shí)施例6:
[0116]以低品位鋁土礦和CaF2為原材料制備AlN粉末:
[0117]在低品位的鋁土礦中加入CaF2,得到混合粉末，其粒徑≤3mm，混合粉末中CaF2的重量百分比為45%，其中低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為54%。將混合粉末煅燒至1400°C，煅燒時間為12h，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體，混合氣體中除了 AlF3以外，可能還含有SiF4、TiF4和NaF等雜質(zhì)。將該混合氣體驟冷到450°C，驟冷速率為150°C /min,混合氣體中只有AlF3轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，進(jìn)行氣固分離，將雜質(zhì)去除后得到細(xì)顆粒AlF3粉末，其純度為99.9%。將細(xì)顆粒的氟化鋁在1375°C的溫度下煅燒4h，得到氣態(tài)AlF3,并通入NH3,氣態(tài)AlF3與NH3的體積比為25:1，得到AlN粉末，AlN粉末的平均粒徑為53nm，其純度為99.7%。
[0118]Al203+3CaF2 — 3Ca0+2AlFs
[0119]A1F3+NH3 — A1N+3HF
[0120]實(shí)施例7:
[0121]以低品位鋁土礦和液態(tài)HF為原材料制備AlN粉末:
[0122]在低品位的鋁土礦中加入液態(tài)HF，得到混合物，其中，HF的重量百分比為25%，其中低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為51%。將混合物升溫至95°C，反應(yīng)時間為3h，得到含有固態(tài)AlF3的混合物，混合物中除了 AlF3以外，可能還含有SiF4或TiF4等雜質(zhì)。將含有固態(tài)AlF3混合物升溫至1300°C升華提純后得到AlF3粉末，其純度為99.1%。將細(xì)顆粒AlF3粉末煅燒到1275°C，煅燒時間為3.5h，得到氣態(tài)AlF3，并通入水蒸氣，水蒸氣與氣態(tài)AlF3的體積比為15:1，水解溫度為1150°C，水解后生成固體Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物。氣固混合物驟冷至125°C，冷卻速率為400°C /min，再經(jīng)過聚集、分離、脫酸，得到細(xì)顆粒Al2O3粉末，其純度為99.93%。在Al2O3粉末中添加碳黑粉末，Al2O3粉末與碳黑粉末的摩爾分?jǐn)?shù)比為1:3.5，將二者混合均勻后，用實(shí)驗(yàn)室中真空碳管爐內(nèi)進(jìn)行碳熱還原，在氮?dú)猸h(huán)境下煅燒5h，煅燒溫度為1600°C，得到含AlN顆粒的固體混合物，固體混合物除了含有AlN顆粒，還含有沒有反應(yīng)完全的碳黑粉末。將固體混合物用實(shí)驗(yàn)室中的馬弗爐中加熱至650°C，進(jìn)行脫碳處理，得到AlN粉末，AlN粉末的平均粒徑為84nm，其純度為99.4%。
[0123]A1203+6HF — 3H20+2A1F3
[0124]2A1F3+3H20 — A1203+6HF
[0125]Al2O3 (s) +3C (s) +N2 (g) — 2A1N (s) +3C0 (g)
[0126]實(shí)施例8:
[0127]以低品位鋁土礦和液態(tài)HF為原材料制備AlN粉末:
[0128]在低品位的鋁土礦中加入液態(tài)HF，得到混合物，其中，HF的重量百分比為35%，其中低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為56%。將混合物升溫至295°C，反應(yīng)時間為5h，得到含有固態(tài)AlF3的混合物，混合物中除了 AlF3以外，可能還含有SiF4或TiF4等雜質(zhì)。將含有固態(tài)AlF3混合物升溫至1300°C升華提純后得到AlF3粉末，其純度為99.5%。將細(xì)顆粒的AlF3在1275°C的溫度下煅燒4.5h，得到氣態(tài)AlF3,并通入NH3,氣態(tài)AlF3與NH3的體積比為35:1，得到AlN粉末，AlN粉末的平均粒徑為54nm，其純度為99.1%。
[0129]A1203+6HF — 3H20+2A1F3
[0130]A1F3+NH3 — A`1N+3HF
[0131]表1為實(shí)施例1至實(shí)施例8的數(shù)據(jù)對照表
[0132]
I234 56 7 8
低品質(zhì)鋁土礦中
Al 的質(zhì)量百分 50 60 55 52 57 54 51 56
含量(％)
氟化物 NH4F NH4F NH4HF2 NaF CaF^ CaF2 HF HF
[0133]
【權(quán)利要求】
1.制備AlN粉末的方法，其特征在于，包括如下步驟: 將低品位鋁土礦和氟化物混合，反應(yīng)，最終得到AlF3粉末； 利用所述AlF3粉末制備AlN粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備AlN粉末的方法，其特征在于，將低品位鋁土礦和氟化物混合，反應(yīng)，最終得到AlF3粉末的步驟中，所述低品位鋁土礦中Al的質(zhì)量百分含量為50%~60% ;所述氟化物占所述低品位鋁土礦和所述氟化物總重量的重量百分比為20%~60% ； 和/或，所述步驟利用所述AlF3粉末制備AlN粉末中，所述AlN粉末的純度為99%~99.9%,粒徑為 30nm ~3 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備AlN粉末的方法，其特征在于，所述氟化物為固態(tài)氟化物，所述步驟將低品位鋁土礦和所述氟化物混合，煅燒，最終得到AlF3粉末，具體包括如下步驟: 將所述低品位鋁土礦和所述固態(tài)氟化物混合，得到混合粉末； 將所述混合粉末煅燒，得到含有氣態(tài)AlF3的混合氣體； 將所述混合氣體驟冷至300°C~500°C，得到所述AlF3粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備AlN粉末的方法，其特征在于，所述混合粉末的粒徑(3mm ;所述固態(tài)氟化物為以下物質(zhì)中任一種:NH4HF2、CaF2、NaF、NH4F ； 和/或，所述煅燒的溫度`為1250°C~1500°C，煅燒時間為3h~15h ； 和/或，將所述混合氣體驟冷至300°C~500°C，得到AlF3粉末的步驟中，所述驟冷的速率為 500C /min ~300°C /min ;所述 AlF3 純度為 99% ~99.9%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1制備AlN粉末的方法，其特征在于，所述氟化物為液態(tài)氟化物，所述步驟將低品位鋁土礦和氟化物混合，反應(yīng)，最終得到AlF3粉末，具體包括如下步驟: 將所述低品位鋁土礦和所述液態(tài)氟化物混合，得到混合物； 將所述混合物在預(yù)定溫度下反應(yīng)，得到含有固態(tài)AlF3混合物； 將所述含有固態(tài)AlF3混合物升溫至1300°C升華提純后得到所述AlF3粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求5制備AlN粉末的方法，其特征在于，所述液態(tài)氟化物為HF； 和/或，在將所述混合物在預(yù)定溫度下反應(yīng)，得到含有固態(tài)AlF3混合物的步驟中，所述預(yù)定溫度為95°C~295°C，所述反應(yīng)時間為3h~15h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備AlN粉末的方法，其特征在于，所述步驟利用所述AlF3粉末制備AlN粉末,具體包括如下步驟: 將所述AlF3粉末煅燒，得到氣態(tài)AlF3 ； 將所述氣態(tài)AlF3與水蒸汽進(jìn)行水解反應(yīng)，生成固體Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物； 將所述氣固混合物驟冷至100°C~200°C，經(jīng)過聚集、分離、脫酸處理，得到Al2O3粉末； 將所述Al2O3粉末與碳黑粉末混合，并在N2環(huán)境下煅燒，得到含有AlN顆粒的固體混合物； 將所述固體混合物加熱至600°C~800°C，進(jìn)行脫碳處理，得到AlN粉末。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備AlN粉末的方法，其特征在于，將所述AlF3粉末煅燒，得到氣態(tài)AlF3的步驟中，所述煅燒的溫度為1250°C~1500°C，時間為2h~15h ； 和/或，將所述氣態(tài)AlF3與水蒸汽進(jìn)行水解反應(yīng)，生成固態(tài)Al2O3和氣態(tài)HF的氣固混合物的步驟中，所述水解溫度為1000°C~1200°C，所述固態(tài)AlF3與所述水蒸汽的體積比為1: 1.5 ~100 ; 和/或，將所述氣固混合物驟冷至100°C~200°C，得到Al2O3粉末的步驟中，所述冷卻速率為500C /min~600°C /min ;所述Al2O3粉末的純度為99.9%~99.99%，粒徑≤100nm ； 和/或，將所述Al2O3粉末與碳黑粉末混合，并在N2環(huán)境下煅燒，得到含有AlN顆粒的固體混合物的步驟中，所述Al2O3粉末與所述碳黑粉末的質(zhì)量摩爾分?jǐn)?shù)比為1: 3~5;所述碳黑粉末的粒徑≤1 μ m ;所述煅燒的溫度為1500°C~1700°C，時間為2h~6h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備AlN粉末的方法，其特征在于，所述步驟利用所述AlF3粉末制備AlN粉末,具體包括如下步驟: 將所述AlF3粉末煅燒至1250°C~1500°C，得到氣態(tài)AlF3 ； 將所述氣態(tài)AlF3與氨氣反應(yīng)，得到AlN粉末。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備AlN粉末的方法，其特征在于，將所述AlF3粉末煅燒至1250°C~1500°C，得到氣態(tài)AlF3的步驟中，所述煅燒時間為2h~5h ; 和/或，將所述氣態(tài)AlF3與氨氣反應(yīng)，得到AlN粉末的步驟中，所述氣態(tài)AlF3與所述氨氣體積比為I~50: I。
【文檔編號】C01B21/072GK103771360SQ201410066470
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】章林, 劉瑞, 史春華, 龔龍江 申請人:貴州萬方鋁化科技開發(fā)有限公司