等离子体辅助高能球磨合成AlN研究

发布时间：2017-10-12 00:29

  本文关键词：等离子体辅助高能球磨合成AlN研究

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【摘要】：AlN是一种应用广泛的功能材料，在船舶与海洋工程领域也有广阔的应用前景，但AlN的制备技术及合成机制仍是目前的一个研究热点。Al2O3碳热还原法是现在制备AlN广泛使用的方法之一，但该法存在反应温度高，反应时间长的缺点。等离子体辅助球磨是一种制备纳米材料的新方法，由于等离子体辅助球磨对粉体的快速细化效应以及高效活化效应，利用其来激活Al2O3，有望降低后续反应温度，促进反应完全。本文采用以下三种不同的反应方案，通过与普通球磨工艺的结果对比，发现等离子体辅助球磨在促进AlN的合成反应方面具有显著效果。 1）以Al2O3+C3H6N6混合粉末为反应原料。发现利用等离子体辅助球磨和普通球磨均无法直接合成AlN。但经等离子体辅助球磨后，C3H6N6的X射线衍射峰已经趋于消失，而普通球磨后的C3H6N6的X射线衍射峰依然很明显。这说明等离子体辅助球磨对粉末的晶格畸变作用更大。对球磨后的粉末进行差热分析，加热温度至1400℃时，两种方法球磨的混合粉末仍没有发生AlN的合成反应。因为在280℃时，C3H6N6热分解成气体逸出，失去了合成AlN所需的氮源，而此时Al2O3尚未发生还原反应。 2）先单独对Al2O3粉末进行球磨活化，再与C粉混合均匀作为反应原料。发现经等离子体辅助球磨40h后，在N2气氛中1400℃下保温4h，Al2O3就可以完成碳热还原反应全部转化为AlN。这比Al2O3常规碳热还原反应所需的1680℃明显下降。利用Kissinger微分法计算，可知等离子体辅助球磨40h后AlN合成反应的激活能下降至371.5kJ/mol。而普通球磨40h的Al2O3，相同条件下AlN的合成产率只有47%左右。分析表明，球磨造成Al2O3的晶粒细化和晶格畸变是促进碳热还原反应的主要原因。等离子体的协同效应促进了Al2O3晶体缺陷和晶格畸变的形成，提高了粉末储藏的内能，从而降低了反应发生的热力学能垒。 3）将Al2O3+C混合后一起球磨作为反应原料。发现等离子体辅助球磨只需30h，反应物料在N2气氛中1400℃下保温4h，，Al2O3即全部转化为AlN。而普通球磨30h的混合原料，在此条件下AlN的合成产率只有83%左右。分析表明，等离子体辅助球磨使得氧化铝颗粒更加均匀地镶嵌在石墨基体上，形成层片状的精细复合结构，使得反应物的有效接触面积增大，反应平均扩散路径缩短。这在动力学上大大促进了碳热还原反应的进行，因此比方案二缩短球磨时间10h。 通过研究，我们认为单独球磨Al2O3时，后续碳热还原反应以气相反应机制为主导。混合球磨Al2O3+C时，碳热还原反应以固-固反应机制为主导。
【关键词】：等离子体辅助球磨 AlN 碳热还原法 活化
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ133.1;U668
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 前言10-11
• 1.2 AlN 的基本性能11-12
• 1.3 AlN 粉末的制备方法12-14
• 1.3.1 直接氮化法12-13
• 1.3.2 碳热还原法13-14
• 1.3.3 化学气相沉积法14
• 1.3.4 高温自蔓延合成法（SHS 法）14
• 1.4 介质阻挡放电（DBD）等离子体辅助高能球磨14-17
• 1.4.1 高能球磨15
• 1.4.2 高能球磨中的机械合金化机制15-16
• 1.4.3 DBD 等离子体辅助高能球磨16-17
• 1.5 本文的研究意义及主要内容17-18
• 第2章 实验方案及 DBD 等离子体辅助球磨方法18-27
• 2.1 实验方案18
• 2.2 DBD 等离子体辅助高能球磨技术18-21
• 2.2.1 DBD 等离子体概述18-20
• 2.2.2 DBD 等离子体辅助高能球磨装置20-21
• 2.3 DBD 等离子体辅助球磨装置的放电诊断分析21-26
• 2.3.1 DBD 等离子体的形貌21-22
• 2.3.2 DBD 等离子体辅助球磨的电学诊断22-23
• 2.3.3 DBD 等离子体辅助球磨的光谱诊断23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 三聚氰胺作氮源合成 AlN 的研究27-34
• 3.1 前言27
• 3.2 实验方法27-28
• 3.2.1 实验内容27-28
• 3.2.2 实验原料与设备28
• 3.3 实验结果与分析28-33
• 3.3.1 球磨后混合粉末的 XRD 分析28-30
• 3.3.2 DBD 等离子体辅助球磨后混合粉末的 DSC-TG 分析30-32
• 3.3.3 分析与讨论32-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第4章 等离子体辅助球磨活化 Al_2O_3合成 AlN34-53
• 4.1 前言34
• 4.2 实验方法34-36
• 4.2.1 实验内容34-35
• 4.2.2 实验原料与设备35-36
• 4.3 实验结果与分析36-47
• 4.3.1 球磨中 Al_2O_3粉末的形貌演变36-39
• 4.3.2 球磨后 Al_2O_3粉末的物相分析39-42
• 4.3.3 球磨后 Al_2O_3粉末的热处理及物相分析42-45
• 4.3.4 DBD 等离子体辅助球磨制备 AlN 粉末的表征45-47
• 4.4 Al_2O_3碳热还原反应合成 AlN 的机理研究47-51
• 4.4.1 碳热还原反应合成 AlN 的反应机制47-48
• 4.4.2 等离子体辅助球磨 Al_2O_3碳热还原反应的热力学分析48-49
• 4.4.3 Al_2O_3碳热还原反应的动力学分析49-51
• 4.5 DBD 等离子体辅助球磨活化反应粉体的协同机制51-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 DBD 等离子体辅助球磨活化 Al_2O_3+ C 合成 AlN53-62
• 5.1 前言53
• 5.2 实验结果与分析53-59
• 5.2.1 球磨中 Al_2O_3粉末的形貌演变53-55
• 5.2.2 球磨后 Al_2O_3粉末的物相分析55-56
• 5.2.3 球磨后 Al_2O_3粉末的热处理及物相转变56-58
• 5.2.4 单独球磨 Al_2O_3与球磨 Al_2O_3+ C 混合原料的比较58-59
• 5.3 DBD 等离子体辅助球磨 Al_2O_3+ C 的碳热还原反应机制59-60
• 5.4 本章小结60-62
• 第6章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 展望63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-67
• 在学期间发表的学术论文67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：1015659