專利名稱：一種高透明細晶氧化鋁陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高度透明細晶氧化鋁陶瓷及其制備方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
透明氧化鋁陶瓷是一種重要的光學(xué)透明材料。常規(guī)透明氧化鋁陶瓷通常經(jīng)高溫長時間燒結(jié)制備，晶粒尺寸大(幾十微米)，強度低，并且大晶粒尺寸下使得雙折射效應(yīng)對光線的扭曲度增強?；谝陨显?，雖然常規(guī)透明氧化鋁
陶瓷具有很高的漫透過率，但其線性透射率卻較低(通常都在10-15%以下)，屬于半透明陶瓷，不適合應(yīng)用于一些對材料光學(xué)和力學(xué)性能要求較高的領(lǐng)域。為了克服常規(guī)透明氧化鋁陶瓷的上述缺點，近年來高透明細晶氧化鋁的研制成為了熱點。
在細晶透明氧化鋁陶瓷中，因氧化鋁細小使得晶粒雙折射效應(yīng)對光線的扭曲度大幅度降低，因此材料不僅具有很高的強度而且具有很高的光學(xué)線性透過率，作為高質(zhì)量的高壓鈉燈燈管、透明裝甲、高溫觀察窗和其他透明窗口材料具有廣闊的應(yīng)用前景。但是高透明細晶氧化鋁陶瓷的制備對原料粉體要求非常嚴格，必須以無團聚的高純超細納米a-Al203粉體為原料，實際上目前報導(dǎo)的高透明細晶氧化鋁陶瓷幾乎完全采用日本大明化學(xué)工業(yè)株式會社生產(chǎn)的TM-DAR型低團聚高燒結(jié)活性a-Al203粉體為原料。因此，粉體來源渠道少，價格昂貴，這限制了材料的發(fā)展和應(yīng)用。另外，為了降低材料的燒結(jié)溫度，抑制氧化鋁晶粒生長，目前具有高線性透射率的透明氧化鋁陶瓷幾乎完全通過熱等靜壓燒結(jié)制備，致使材料燒結(jié)成本較高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種較為廉價的高透明氧化鋁陶瓷制備方法，以解決高透明細晶氧化鋁陶瓷的制備中存在的上述問題。本發(fā)明目的的實施是以普通廉價商業(yè)a-Al203超細粉體為原料，通過超聲 波輔助下HF酸酸蝕處理對粉體進行改性，然后在較低溫度下無需任何燒結(jié) 添加劑通過放電等離子體燒結(jié)制備成高透明的氧化鋁陶瓷。具體地說，首先 在超聲波作用下將a-Ab03原料粉體在HF酸中進行酸蝕處理，利用超聲波作 用下HF酸對粉體團聚顆粒的晶界和粉體顆粒表面鈍化層的強烈腐蝕作用降 低粉體的團聚度，提高粉體的表面活性。HF酸處理后的ot-Al203粉體用乙醇 進行多次抽濾和洗滌至PH"7，脫水后經(jīng)80 10(TC真空干燥5 10小時， 最后通過放電等離子體燒結(jié)技術(shù)在較低溫度快速燒結(jié)即可得到高透明的氧化 鋁陶瓷。主要工藝參數(shù)如下
1. 材料制備所用的A1203粉體為粒徑在50 - 300 nm之間的01-八1203。
2. 粉體處理所用的HF酸濃度在10-20wty。之間，a-Al203粉體與HF酸 的體積比在1:20 - 1:10之間，粉體處理時間在3-12小時。
3. 放電等離子體燒結(jié)溫度在1200-1450°C之間，燒結(jié)時施加的外壓力為 100 200MPa，燒結(jié)的保溫時間為1-5分鐘，燒結(jié)時氣氛為真空，真空度1(T2 l(T3Pa，所制得的a-Al203細晶陶瓷晶粒尺寸1.5 2.5pm左右。
本發(fā)明的突出優(yōu)點是
通過超聲波輔助下的HF酸酸蝕處理可以大幅度降低氧化鋁粉體的團聚 度并提高粉體顆粒表面活性，進而顯著提高材料的燒結(jié)性，因此即使采用團 聚度較大的普通商業(yè)氧化鋁超細粉體也可以獲得高透明的氧化鋁陶瓷。這對 于高透明氧化鋁陶瓷制備原料成本的降低和原料來源的多樣化具有重要的意 義。且本發(fā)明制備工藝處理的Al203細粉，在燒結(jié)時無需添加任何燒結(jié)添加 物即可獲得燒結(jié)致密的坯體，且在可見光范圍內(nèi)線性透過率介于50 60%之 間(詳見實施例)。
圖1為實施例1中a-Al203原料粉體的掃描電鏡照片。 圖2為實施例1中氧化鋁陶瓷的掃描電鏡照片。
圖3為實施例1中氧化鋁陶瓷的光學(xué)顯微鏡照片及其光學(xué)線性透過率曲線。
4圖4為實施例2中a-Al203原料粉體經(jīng)HF酸處理6小時后的掃描電鏡照片。
圖5為實施例2中氧化鋁陶瓷的掃描電鏡照片。
圖6為實施例2中透明氧化鋁陶瓷的光學(xué)顯微鏡照片及其光學(xué)線性透過 率曲線。
圖7為實施例3中氧化鋁陶瓷的掃描電鏡照片。
圖8為實施例3中透明氧化鋁陶瓷的光學(xué)顯微鏡照片及其光學(xué)線性透過 率曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例的描述進一步說明本發(fā)明的創(chuàng)新點而非限制本說明。 實施例1
以比表面積為5m2/g的普通商業(yè)a-Al203粉體(HFF-5，吳淞化肥廠)為原 料，在100 MPa外加壓力下真空中1350°C放電等離子燒結(jié)3分鐘(Dr. Sinter 1020, Sumitomo Coal Mining Co., Ltd., Japan)制備氧化鋁陶瓷。圖1為粉體的 掃描電鏡照片?？梢婋m然粉體的一次顆粒尺寸在200-300 nm之間，但其中存 在著大量的尺寸在l-1.5pm的團聚顆粒。圖2為燒結(jié)試樣的掃描電鏡照片。 由于粉體中大尺寸團聚顆粒的存在使得材料在燒結(jié)過程中發(fā)生晶粒異常長 大，材料晶粒尺寸高達5.2pm，并出現(xiàn)晶內(nèi)型氣孔，由此導(dǎo)致材料透明性下 降。圖3為上述燒結(jié)試樣的光學(xué)線性透過率曲線和光學(xué)顯微鏡照片?？梢园l(fā) 現(xiàn)，其在可見光范圍內(nèi)線性透過率只有10%左右，材料至多為半透明狀。 實施例2
首先，配制濃度為10wtW的HF酸溶液，然后將實施例1中的a-Al203 粉體超聲分散到HF溶液中，粉體和HF酸溶液的體積比為1:19。上述懸浮 液經(jīng)超聲分散處理6小時后，用蒸餾水多次洗滌至pH 7左右，以去除HF。 在此基礎(chǔ)上進一步用無水乙醇對粉體進行抽濾洗滌使其充分脫水，然后經(jīng) 100°C真空干燥8小時。處理后的粉體于10_2Pa真空條件下通過放電等離子 體燒結(jié)技術(shù)進行燒結(jié)，燒結(jié)壓力為100 MPa，燒結(jié)溫度和燒成保溫時間分別 為1300°C和3分鐘。圖4和5分別為HF酸處理后的A1203粉體和燒結(jié)試樣的掃描電鏡照片。可見粉體經(jīng)HF酸處理后其顆粒團聚度大幅度下降，燒結(jié) 試樣顯微結(jié)構(gòu)均勻，無殘余氣孔存在，且晶粒尺寸只有1.8iiim。材料良好的 顯微結(jié)構(gòu)使得其透明性大幅度提高(圖6)，在可見光范圍內(nèi)其線性透過率達 到了 50-60%。 實施例3
本實施例中所用粉體及粉體處理工藝與實施例2相同，所不同的是材料 在100 MPa外加壓力下于1350°C放電等離子燒結(jié)3分鐘制備。圖7為所得 材料的掃描電鏡照片?？梢园l(fā)現(xiàn)材料顯微結(jié)構(gòu)均勻，無殘余氣孔存在，氧化 鋁的晶粒尺寸在2.2nm左右。相對于同溫度下由未經(jīng)HF酸處理的氧化鋁粉 體燒結(jié)試樣，其晶粒尺寸減小了3pm。圖3為燒結(jié)試樣的光學(xué)顯微鏡照片及 其光學(xué)線性透過率曲線。與實施例2相同，材料表現(xiàn)出良好的透明性，其在 可見光范圍內(nèi)的線性透過率達到了 50-60%。
權(quán)利要求
1、一種制備高透明細晶Al2O3陶瓷的方法，其特征在于以商業(yè)α-Al2O3超細粉體為起始原料，經(jīng)HF酸處理，不需要外加任何燒結(jié)添加劑，最后通過放電等離子體燒結(jié)制成的。
2、 按權(quán)利要求1所述的制備高透明細晶A1203陶瓷的方法，其特征在于 所述的商業(yè)a-Ab03粉體的顆粒尺寸為50 300nm。
3、 按權(quán)利要求1所述的制備高透明細晶A1203陶瓷的方法，其特征在于 所述的HF酸質(zhì)量百分濃度為10 20%; 00-八1203粉體與HF酸的體積比為 1:10 1:20。
4、 按權(quán)利要求1所述的制備高透明細晶A1203陶瓷的方法，其特征在于 所述的00-八1203粉體在HF酸中的處理時間為3 12小時。
5、 按權(quán)利要求1或4所述的制備高透明細晶A1203陶瓷的方法，其特征 在于經(jīng)HF酸處理的0t-Al2O3粉體是在超聲波作用下進行的，以降低粉體的團 聚度，提高粉體的表面活性。
6、 按權(quán)利要求1所述的制備高透明細晶A1203陶瓷的方法，其特征在于 最后的放電等離子體燒結(jié)溫度為1200 1450°C，燒結(jié)壓力為100 200MPa。
7、 按權(quán)利要求6所述的制備高透明細晶Al203陶瓷的方法，其特征在于 所述的放電等離子體燒結(jié)的保溫時間為1 5分鐘。
8、 按權(quán)利要求1所述的制備高透明細晶A1203陶瓷的方法，其特征在于 HF處理后的粉體用蒸餾水洗滌至PH"7，以去除HF;并用乙醇進行抽濾、 洗滌，脫水然后經(jīng)80 10(TC真空干燥5 10小時。
9、 按權(quán)利要求l所述的制備高透明細晶Al203陶瓷的方法，其特征在于 制成A1203陶瓷在可見光范圍內(nèi)線性透過率為50 60% 。
10、 按權(quán)利要求9所述的制備高透明細晶Ab03陶瓷的方法，其特征在 于所制得的八1203陶瓷的晶粒尺寸為1.5 2.5pm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備高透明細晶Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>陶瓷的方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。其特征在于通過HF酸對常規(guī)商業(yè)α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>超細粉體進行處理，然后通過放電等離子體燒結(jié)制備細晶高透明的Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>陶瓷。所述的方法的突出特點是，通過HF酸處理可以明顯降低α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉體的團聚度并提高其燒結(jié)性，通過放電等離子體燒結(jié)可以在較低溫度下即可獲得完全致密且具有高的線性透過率的細晶透明Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>陶瓷。
文檔編號C04B35/622GK101624290SQ20091005536
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者靳喜海, 濂 高 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所