Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0082

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0082
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Название доклада
Разработка технологии получения -оксида алюминия высокой чистоты на основе гидротермального окисления алюминия
Докладчик
Григоренко Анатолий Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели проекта: 1. Разработка научно-технических основ технологии получения α-оксида алюминия с чистотой не менее 99,994 % масс. с использованием метода гидротермального окисления алюминия (окисления алюминия в воде или водяном паре при температуре выше 100C), отличающейся экологической безопасностью и высокой энергоэффективностью. 2. Наработка экспериментальных образцов α-оксида алюминия на основе разработанных технологических решений с целью передачи его на испытания потенциальным потребителям, в том числе для производства монокристаллов лейкосапфира.
Задачи проекта: Теоретическое исследование процессов диффузии примесей в решетке α-оксида алюминия и их испарения с поверхности кристалла в условиях высокотемпературного прокаливания в вакууме. Разработка и создание экспериментального образца установки получения α-оксида алюминия высокой чистоты с использованием метода гидротермального окисления алюминия и последующей вакуумной термической обработки продукта. Разработка технических решений по включению в технологическую схему разрабатываемой установки устройств, утилизирующих тепловую энергию и водород, образующихся в ходе гидротермального окисления алюминия. Экспериментальные исследования влияния термодинамических условий гидротермального окисления алюминия и параметров термической вакуумной обработки на структуру и химическую чистоту образцов α-оксида алюминия и его прекурсоров, полученных на экспериментальном образце установки. Разработка технических требований на выполнение ОКР по созданию опытно-промышленного образца установки получения α-оксида алюминия.
Актуальность и новизна исследования
Отсутствие эффективных и экологически чистых технологий получения α-оксида алюминия (корунда) высокой чистоты в определенной мере сдерживает развитие таких направлений технологического развития нашей страны, как оптическая и полупроводниковая промышленности, квантовая электроника, энергетика, приборостроение и др. Корунд высокой чистоты используется, например, для получения высококачественной оптической керамики, монокристаллического алюмо-иттриевого граната и лейкосапфира. Последний в свою очередь имеет широкую область применения, например, производство светодиодов, подложек микросхем, лазерных диодов, имплантов и искусственных суставов, микроскальпелей, защитных стекол, и др.
В ходе данной работы предложена разработка научно-технических основ технологии получения высокочистого α-оксида алюминия через стадию гидротермального окисления алюминия. В отличие от других способов в процессе гидротермального окисления алюминия в качестве реагентов используются только алюминий технической чистоты и вода без дополнительных растворяющих добавок или реактивов. Это позволило повысить производительность, снизить стоимость и повысить экологическую безопасность производства высокочистого оксида. Для получения ультра чистого α-оксида алюминия (с суммарным содержанием примесей до 30 ppm и менее) продукты гидротермального окисления алюминия было предложено прокаливать в вакууме или атмосфере инертного газа при повышенных температурах. Таким образом, сочетание стадий гидротермального окисления алюминия и термической обработки позволило повысить экологическую чистоту, энергоэффективность и возможность получения экстремально чистого продукта при производстве α-оксида алюминия.
Описание исследования

1. Этапами получения экспериментальных образцов α-оксида алюминия высокой чистоты являются:

- гидротермальное окисление алюминия с получением промежуточного продукта - бемита (γ-AlOOH);

- сушка полученного бемита и изготовление гранул (при необходимости получения порошка гранулы размалывались);

- преобразование γ-AlOOH  в α-Al2O3 посредством удаления кристаллизационной воды;

- высокотемпературное вакуумное рафинирование α-Al2O3.

1.1 Гидротермальное окисление алюминия

1.1.1 Исходными компонентами на этапе гидротермального окисления являлись:

- порошок алюминия АСД-6 по ТУ 48-5-226-87 с изменениями 1- 5;

- вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72 (с электропроводимостью не более 20 мкСм/см).

1.1.2 Конечными продуктами на этапе являлись:

- бемит (γ-AlOOH) с влажностью 70 ± 5% и чистотой по основному продукту без учёта воды -  99,81 ... 99,93% массовых;

- водород газообразный с чистотой по основному продукту 99,98% массовых.

1.1.3 Гидротермальное окисление алюминия производилось на оборудовании блока термального окисления алюминия.

1.1.4 Режим гидротермального окисления алюминия достаточно хорошо отработан, а потому при проведении работ по получению экспериментальных образцов α-Al2O3 в рамках настоящего проекта параметры технологического процесса гидротермального окисления не варьировались от работы к работе.

1.1.5 Наработка бемита производилась партиями не менее 10 кг. Всего в рамках проекта было проведено 4 экспериментальных работы по гидротермальному окислению алюминия и получено при этом 47,5 кг бемита (в пересчёте на сухую массу).

1.2 Сушка полученного бемита и изготовление порошка (гранул)

1.2.1 Технологические параметры процесса

- сушка полученной после гидротермального окисления суспензии бемита производилась в сушильном шкафу BINDER FD 115 при 120°С до остаточной влажности 2,5%;

- высушенный бемит смешивался с дистиллированной водой в массовом соотношении воды к порошку бемита как 1,0 : 2,7;

- гранулилирование производилось при скорости вращения шнека 25 - 32 об/мин, при этом длина гранул составила 3 ... 5 мм;

- диаметр установленных фильер, и, соответственно, полученных гранул, составлял 1,5 - 2,5мм;

- заключительная сушка гранул производилась в сушильном шкафу BINDER FD 115 при 120°С в течении 4 часов.

1.3 Удаление кристаллизационной воды и перевод γ-AlOOH  в α-Al2O3;

1.3.1 Удаление кристаллизационной воды производилось в муфельной печи XY-1700A (SA2-16-17TP).

1.3.2 Технологические параметры процесса

- термограмма процесса: нагрев до 650 °С в течении 2 часов; выдержка при 650 °С в течении 1 часа; нагрев до 1100 °С в течение 2 часов; выдержка при 1100 °С в течении 2 часов; остывание до комнатной температуры.

- масса загрузки максимальная – 3,5 кг;

- контролируемая остаточная влажность 0,03 – 0,15 %.

1.4 Высокотемпературное вакуумное рафинирование α-Al2O3

1.4.1 Исходными компонентами на этапе рафинирования являлись гранулы и порошок α-Al2O3 с чистотой порядка 99,95%.

1.4.2 Рафинирование оксида алюминия производилось на установке для термообработки НИКА-М60.

1.4.3 Технологические параметры процесса вакуумной высокотемпературной обработки оксида алюминия:

- дегазация материала при температуре 500 ... 800°С при остаточном давлении (вакууме) 10-4 ... 10-5 мм.рт.ст.;

- температура термообработки (рафинирования) 1200 ... 1800°С при остаточном давлении (вакууме) 10-5 ... 10-6 мм.рт.ст.;

- время выдержки варьировалось, и в процессе экспериментальных работ составляло от 0,5 до 4 часов.

1.4.4 Параметры термообработки задавались программно, при этом время выхода на режим составляло от 2 до 5 часов (в зависимости от выбранного температурного режима), а остывание – 2 часа.

1.4.5 Практически во всех экспериментах навеска загружалась в основной молибденовый тигель, являющийся принадлежностью печи. В некоторых случаях загрузка навесок осуществлялась в молибденовых коробочках, либо в сапфировом тигле, которые размещались в основном молибденовом тигле.

1.4.6 После охлаждения и последующего вскрытия печи производилось фотодокументирование внешнего вида термообработанного материала (α-Al2O3), а также измерялись их влажность и потеря массы.

Получаемые образцы оксида алюминия были переданы для проведения исследований физико-химических свойств (пористой структуры, фазового состава, удельной поверхности и химического состава) экспериментальных образцов α-оксида алюминия и проведения анализа влияния термодинамических условий получения образцов α-оксида алюминия на его микроструктуру и химическую чистоту.

 

 

Результаты исследования

В ходе работ по проекту были получены экспериментальные образцы α-оксида алюминия высокой чистоты на доработанном экспериментальном образце установки получения α-оксида алюминия высокой чистоты. В ходе данных работ Экспериментально была подтверждена правильность выбора режимов, заложенных в основу технологического процесса получения α-оксида алюминия высокой чистоты и указанных в Методике получения α-оксида алюминия высокой чистоты. В результате данных работ при различных параметрах процесса получения оксида алюминия были получены партии образцов α-оксида алюминия высокой чистоты для дальнейшего изучения их свойств. Проведены исследования физико-химических свойств (пористой структуры, фазового состава, удельной поверхности и химического состава) экспериментальных образцов α-оксида алюминия. В результате исследования химического состава экспериментальных образцов α-оксида алюминия установлено, что химическая чистота получаемых по разработанной технологии образцов может достигать 99,999 %. В результате рентгенофазового анализа было установлено, что после гидротермального окисления алюминия образцы представляю собой бемит (γ-AlOOH), а после термообработки при температуре 1100°С и выше образцы представляю собой альфа оксид алюминия (α-Al2O3). В результате измерения пористости экспериментальных образцов α-оксида алюминия установлено, что с увеличением температуры термообработки материала имеет место резкое снижение открытой пористости материала. Образцы полученные при температуре 1100°С имеют открытую пористость 49,56%, при температуре 1600°С открытая пористость снижается до 7,72%. В результате измерения удельной поверхности экспериментальных образцов α-оксида алюминия установлено, что с увеличением температуры термообработки материала имеет место резкое снижение удельной поверхности, а также объёма микро и мезопор. Удельная поверхность образцов, полученных при температуре 1100°С и 1600°С, составляет 13,76 и 4,73 м2/г соответственно. Для образцов, полученных при температуре 1100°С и 1600°С, объем мезопор составляет 0,05170 и 0,00862 см3/г соответственно, а объем микропор - 0,00505 и 0,00066 см3/г соответственно. В результате измерения плотности экспериментальных образцов α-оксида алюминия установлено, что истинная плотность образов α-оксида алюминия после высокотемпературной термообработки может достигать значений до 3,95 г/см3. Проведен анализ влияния термодинамических условий получения образцов α-оксида алюминия на его микроструктуру и химическую чистоту. Анализ результатов экспериментов при разных температурах рафинирования показал, что повышение температуры термообработки свыше 1750°С не приводит к улучшению очистки по причине снижения открытой пористости. Проведен анализ данных экспериментальных исследований. В результате данного анализа был сделан вывод о том, что выбор определённой температуры термообработки α-Al2O3 является одним из ключевых факторов, влияющих на эффективность очистки α-Al2O3 от примесей. Полученные результаты соответствуют требованиям к выполняемому проекту. По уровню теоретических исследований и технологических разработок полученные результаты не уступают результатам аналогичных работ, определяющих мировой уровень в данной области.

Практическая значимость исследования
Планируется, что разработанная в ходе ПНИ технология позволит удовлетворить потребности отечественной промышленности в оксиде алюминия высокой чистоты и открыть конкурентоспособный экспорт данного продукта. Потенциальными потребителями результатов исследования должны стать предприятия оптической и полупроводниковой промышленности, квантовой электроники, металлургии, машиностроения, энергетики и приборостроения.
Для коммерциализации результатов ПНИ планируется создание научно-производственной компании, которая на базе проведенных исследований создаст опытно-промышленную установку и выполнит наработку нескольких тонн высокочистого оксида алюминия. Создание опытно-промышленной установки планируется совместно с Индустриальным партнером.
Постер

Poster_template_IN.ppt