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：

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