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1299-86-1 / 碳化铝的应用和制备

背景及概述[1-2]

铝是地壳中含量最丰富的金属元素,因其轻质、可成型性好等优点,在工业上有着很广泛的应用。但铝及其合金却又面临着强度低、耐磨损性和高温性能差等发展问题。碳化铝(AlC)是一种具有菱形六面体结构的离子型化合物,具有很高的硬度、剪切强度和熔点,使其成为了铝基材料理想的第二相强化材料。碳化铝金黄色六方小片状晶体。相对密度2.36,在1400℃稳定,2200℃以上分解。遇水分解生成甲烷,贮存于干燥阴凉处,不溶于丙酮,遇稀酸分解。由纯铝粉与纯碳共热而制得。目前,碳化铝的制备方法主要有金属直接碳化法,碳热还原法,溶胶凝胶法,微波合成法和高能机械球磨合成法。其中金属直接碳化法和碳热还原法是最早采用的合成方法,并且部分技术已经应用与工业生产。但这两种方法的缺点是所需要的的合成温度高,反应时间长,得到的粉末粒径大。而已知的高能球磨合成法中,关注的重点主要是少量的AlC原位合成从而增强铝基材料,并不是AlC的高纯度合成。同时,高能球磨本身皆具有球磨时间过长,能耗大,粉体颗粒不均匀等缺点。

应用[2-4]

碳化铝经常作为添加剂增强三组元铝基材料(Al-Si-AlC,Al-AlTi-AlC)的强度。另外,AlC是金属铝工业技术领域中的一种重要的化合物,在冶金工业中用于还原金属氧化物,在化学工业用于化学反应催化剂,在陶瓷行业用于制作高温、切割和模具等高级陶瓷材料。作为一种离子型化合物,在AlC的晶格结构中,碳原子以单独的C形式存在。C具有很强的碱性,水解时通过C+4H→CH产生甲烷,所以AlC也作为甲烷发生剂和干燥剂。同时,AlC的菱形六面体是一种AlC和AlC片层交替堆叠的结构,正是这种独特的结构,使得一维AlC纳米线成为了一种极具潜力的冷电子发射体。

1)基于碳化铝制备氮化铝粉体,包括:(a)将适量微米铝粉和微米碳粉均匀混合,置于惰性气氛中加热至预定温度,保温一段时间,使之反应生成碳化铝;(b)将碳化铝在流动的氨气或氮气中加热至预定温度并保温一段时间,在高温环境下碳化铝与氨气或氮气反应,生成氮化铝。通过本发明,可以在相对较低的温度下制备出氮化铝粉体,所制备出的粉体纯度高、粒径小且粒度分布均匀,导热率高并且具有优良的热学性能和机械性能,可在集成电路的基片材料等领域大规模应用。

2)制备一种碳化铝纳米带。装有铝硅合金的坩埚置于炉内,关闭炉门抽真空至50Pa~10-3Pa,然后充入保护气氩气,再升温到700℃~1600℃之间保温1-20小时,然后自然冷却至常温,在合金表面及石墨坩埚内壁上生成许多黄色的碳化铝纳米带。本发明制备的碳化铝纳米带厚度薄、杂质少;碳化铝纳米带的长度长,能达到几个毫米;生长碳化铝纳米带的成本很低;不存在环境污染、制备设备简单。

制备[2]

一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法,包括以下步骤:

(1)将铝粉与石墨粉进行简单均匀混合,在氩气保护下采用等离子球磨机对粉末进行球磨(细化和活化处理),获得混合粉末;所述混合粉末中石墨粉的质量占比为35%,余量为铝粉;球磨的条件:转速为960rpm,放电电流1.5A,球料比50:1,球磨时间为1h(不包括停顿的时间);运行模式为交替重启,交替时间为30分钟,停顿时间为30分钟(是指球磨30min,然后停止球磨30min,再球磨30min,如此重复);

(2)将球磨后的混合粉末放入带盖氧化铝坩埚内,将坩埚放置于真空管式炉中,使用真空泵将炉管抽真空到10Pa,随后通入氩气,重复一次后保持氩气在管式炉中流动(流速为100ml/min),以10℃/min升温速率将炉温升至1000℃且保温4h,随后管式炉空冷(在100min内冷却至室温),获得碳化铝粉末。碳化铝粉末的SEM图如下:

碳化铝的应用和制备

主要参考资料

[1] 无机化合物辞典

[2] CN201810921916.9一种等离子球磨制备碳化铝粉末的方法

[3] CN201610571632.2一种基于碳化铝制备氮化铝粉体的方法及其产品

[4] CN200710071085.2一种碳化铝纳米带的合成方法