專利名稱：高透光率γ-ALON透明陶瓷的制備技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于透明陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高透光率γ-ALON透明陶瓷的 制備方法。
背景技術(shù)：
透明ALON陶瓷材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能及光學(xué)性能，耐磨耐久性好、化學(xué)穩(wěn)定性 高、抗沖擊能力強(qiáng)，可用作武裝直升飛機(jī)的透明裝甲、超音速飛機(jī)的風(fēng)檔、坦克裝甲車的觀 察窗等，亦可應(yīng)用于導(dǎo)彈、海軍水下傳感器等其他國(guó)防系統(tǒng)中。另外，高透光率透明ALON陶 瓷實(shí)現(xiàn)低成本制備，用于各種高溫高壓設(shè)備觀察及探測(cè)窗口等民用領(lǐng)域可顯著提高設(shè)備觀 測(cè)安全性和準(zhǔn)確性；亦可用于珠寶展示、排爆等場(chǎng)所的防護(hù)、高級(jí)轎車的防彈窗、高檔手表 表面、透明保險(xiǎn)柜等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于保護(hù)國(guó)家和人民群眾的財(cái)產(chǎn)和生命安全具有重要意義， 市場(chǎng)前景廣闊。制備透明ALON的傳統(tǒng)技術(shù)需要兩個(gè)燒結(jié)過程，即首先高溫合成AL0N，經(jīng)球磨成粒 度均勻的微粉并等靜壓成型，然后進(jìn)行高溫?zé)傻玫酵该髦破?。該技術(shù)通常需要幾十甚至 上百個(gè)小時(shí)的高溫?zé)桑瑹Y(jié)周期太長(zhǎng)，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。近年來，透明ALON陶瓷材料的低成 本制備技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)領(lǐng)域競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。U. S.專利7，045，091公開了一種透明ALON陶瓷制品的制備技術(shù)。其特征在于燒 結(jié)體系中產(chǎn)生的少量液相減少了制品中的氣孔率從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步致密化。具體過程為 首先在1950°C 2025°C的溫度下燒結(jié)Al2O3粉和AlN粉得到ALON材料的固相燒結(jié)體及少 量液相燒結(jié)體，然后通過在至少降低50°C的溫度下再次燒結(jié)將液相全部轉(zhuǎn)化為固相得到透 明ALON陶瓷制品。整個(gè)燒結(jié)過程至少需要9個(gè)小時(shí)，溫度達(dá)到2025°C左右才能得到透光率 較好的制品。專利中沒有給出所得制品的透光率范圍。U. S.專利7，163，656公開了一種致密多晶ALON陶瓷制品的制備技術(shù)。其特征在 于將Al2O3粉和AlN粉混勻成型后于低于ALON燒結(jié)溫度的溫度下(優(yōu)選1600°C左右)熱 壓得到致密中間體，然后將中間體在1700°C 2000°C的溫度下燒結(jié)得到致密陶瓷制品，密 度可達(dá)理論密度的99. 99%。其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于燒成溫度不超過2000°C，缺點(diǎn)在于整個(gè)工藝 需要分兩步進(jìn)行，第一步熱等靜壓燒結(jié)制備中間體，需要價(jià)格昂貴的熱等靜壓機(jī)，熱等靜 壓燒成成本較高；第二步氣氛壓力燒結(jié)所得中間體制備透明制品，進(jìn)一步增加了制備成本。 專利中沒有給出所得制品的透光率范圍。C. N.專利101，528，631公開了一種透明多晶氮氧化鋁的制作方法。其特征在于通 過添加到原料粉末中的含有MgO的燒結(jié)助劑消除制品中的多余氣孔使得制品在0. 3 μ m 0. 8μπι波數(shù)范圍內(nèi)的線性透光率達(dá)到79. 89%，實(shí)際透光度變成95%或者更高。該專利中 的燒結(jié)溫度達(dá)到2000°C，沒有給出所得制品在紅外區(qū)的透光率范圍。C. N.專利101，033，139公開了透明氮氧化鋁陶瓷的制備工藝。其特征在于采用二 次常壓燒結(jié)工藝，于1900°C以下得到相對(duì)密度達(dá)到理論密度99%以上的透明氮氧化鋁陶 瓷制品，近紅外區(qū)(800 6000nm)透光率達(dá)到50%以上。
C. N.專利101，033，140與101，033，139比較類似，其特征在于采用一次常壓燒結(jié) 工藝，于1900°C以下得到相對(duì)密度達(dá)到理論密度99%以上的透明氮氧化鋁陶瓷制品，近紅 外區(qū)(800 6000nm)透光率達(dá)到50%以上。上述技術(shù)制備透明ALON陶瓷，具有燒結(jié)溫度高(達(dá)到或超過2000°C )、工藝復(fù)雜 且制作成本高的缺陷，C. N.專利101，033，140燒結(jié)溫度較低但所得制品透過率不理想(近 紅外區(qū)不超過50% )，無法達(dá)到實(shí)用要求，因此在很大程度上限制了此類陶瓷的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能克服上述缺陷、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的高透光率 Y-ALON透明陶瓷的制備方法。其技術(shù)方案為一種高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟1)以α-Al2O3粉和AlN粉為原料，兩者的摩爾百分比為64 68 32 36，且摩 爾百分比之和為100%，添加適量燒結(jié)助劑，連同粘結(jié)劑、無水乙醇及高純氧化鋁球一起放 入球磨罐中球磨混料8 12h，球磨好的料漿過325目篩，噴霧造粒得到造粒粉，備用；2)將步驟1)得到的造粒粉裝進(jìn)乳膠模具并密封，置于冷等靜壓機(jī)中在150 250MPa的壓力下致密化成型，獲得致密度高且密度均勻的坯體，80°C下干燥Mh ；3)將步驟2)得到的坯體置于坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具體是抽真 空至燒結(jié)爐內(nèi)壓力小于10_2Pa，關(guān)閉真空泵并充氮?dú)庵脸?，維持一定的氮?dú)饬髁?，再加?升溫至1700 1750°C保溫1 2h，然后繼續(xù)升溫至1880 1920°C保溫4 6h，隨爐冷卻， 得到Y(jié) -ALON燒結(jié)體；4)將步驟3)得到的γ -ALON燒結(jié)體進(jìn)行光學(xué)拋光，既得高透光率Y -ALON透明陶
ο所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，AlN粉的N含量> 33.3%，雜質(zhì)0 含量< 0. 85%，其它雜質(zhì)總含量< 800ppm,比表面積為2. 45m2/g，D50 < 1 μ m ； α -Al2O3粉的 純度> 99. 95%，雜質(zhì)Si含量< 80ppm，雜質(zhì)Na含量< 20ppm，雜質(zhì)!^e含量< 50ppm，雜質(zhì) Cu 含量< 20ppm, D50 < 1 μ m。所述的高透光率Y -ALON透明陶瓷的制備方法，燒結(jié)助劑為MgO、Y2O3> ZrO2, La2O3 中至少三種的任意混合，并且燒結(jié)助劑的含量為由α -Al2O3粉和AlN粉構(gòu)成的物料總量的 0. 3 0. 5wt%，由α -Al2O3粉和AlN粉構(gòu)成的物料與高純氧化鋁球及無水乙醇的質(zhì)量比為 1:2:1。所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛、聚乙 酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種，含量為由α-Al2O3粉和AlN粉構(gòu)成的物料總量的 0. 3wt%。所述的高透光率Y -ALON透明陶瓷的制備方法，高純氧化鋁球的氧化鋁含量大于 99%，耐磨系數(shù)小于0. 01g/kg · h。所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，坩堝為耐高溫且高溫下性能穩(wěn)定 的氮化硼坩堝、高純石墨坩堝或鎢坩堝。所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，步驟3)中氮?dú)饬髁繛? 6L/
mirio
所述的高透光率Y -ALON透明陶瓷的制備方法，步驟3)中，室溫至1000°C燒結(jié)爐 的升溫速率為10 20°C /min, 1000°C至1700°C燒結(jié)爐的升溫速率為5 7°C /min, 1700°C 至1920°C燒結(jié)爐的升溫速率為1 3°C /min。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明通過一次常壓反應(yīng)燒結(jié)制備透明ALON陶瓷，中間無需合成ALON陶瓷 粉體，同時(shí)燒結(jié)體系中產(chǎn)生液相，能降低燒結(jié)溫度至1920°C，縮短燒結(jié)周期，降低了燒成成 本；2、本發(fā)明所得制品光學(xué)拋光至厚度為Imm的試樣進(jìn)行透光率測(cè)定，在1.2μπι 5 μ m波段范圍內(nèi)的平均線性透光率超過75%，顯著提高了材料的透光性能；3、本發(fā)明使用高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐進(jìn)行常壓燒結(jié)，降低了設(shè)備要求。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1、2、3所得γ -ALON透明陶瓷的XRD譜圖；圖2 8對(duì)應(yīng)為本發(fā)明實(shí)施例1 7所得γ -ALON透明陶瓷的SEM照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 1) α -Al2O3 粉純度彡 99. 95 %, D50 < 1 μ m ；AlN 粉的 N 含量 > 33. 3 %，0 含量 <0. 85%,D50< Iym,且 α-Al2O3 粉和 AlN 粉的摩爾比為 68 32。以由 α-Al2O3 粉和 AlN 粉構(gòu)成的物料總量為基準(zhǔn)，燒結(jié)助劑為MgO、Y2O3> ZrO2, La2O3的混合物，加入量為0. 4wt%, 無水乙醇的加入量為IOOwt%，高純氧化鋁球的加入量為200wt%，粘結(jié)劑采用聚乙烯醇縮 丁醛，加入量為0. 3wt%，一起放入球磨罐中球磨混料10h，球磨好的料漿過325目篩，噴霧 造粒得到造粒粉，備用；2)將步驟1)得到的造粒粉裝進(jìn)乳膠模具并密封，置于冷等靜壓機(jī)中在200MPa的 壓力下致密化成型，獲得致密度高且密度均勻的坯體，80°C下干燥24h ；3)將步驟2)得到的坯體置于氮化硼坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具體 是先抽真空至后充入氮?dú)庵脸捍蜷_放氣閥，并保持隊(duì)以5L/min流量流通，從室 溫開始升溫，以20°C /min升溫速率升至1000°C，再以6V /min升溫速率升至1700°C并保 溫lh，再以2V /min升溫速率升至1900°C并保溫4h后冷卻至室溫，得到Y(jié)-ALON燒結(jié)體；4)得到的γ -ALON燒結(jié)體密度為3. 68g/cm3,抗彎強(qiáng)度為307MPa，試樣經(jīng)光學(xué)拋光 至Imm厚，在波長(zhǎng)1.2μπι 5μπι范圍內(nèi)的平均線性透光率為69%。實(shí)施例2 1)同實(shí)施例1中步驟1)，只是α -Al2O3粉和AlN粉的摩爾比為66 34 ；2)同實(shí)施例1中步驟2)；3)將步驟2)得到的坯體置于氮化硼坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具體 是先抽真空至后充入氮?dú)庵脸捍蜷_放氣閥，并保持隊(duì)以5L/min流量流通，從室 溫開始升溫，以20°C /min升溫速率升至1000°C，再以6V /min升溫速率升至1720°C并保 溫濁，再以2V /min升溫速率升至1900°C并保溫4h后冷卻至室溫，得到Y(jié)-ALON燒結(jié)體；4)得到的γ -ALON燒結(jié)體密度為3. 70g/cm3,抗彎強(qiáng)度為311MPa，試樣經(jīng)光學(xué)拋光至Imm厚，在波長(zhǎng)1.2μπι 5μπι范圍內(nèi)的平均線性透光率為75%。實(shí)施例3 1)同實(shí)施例1中步驟1)，只是α -Al2O3粉和AlN粉的摩爾比為64 36 ；2)同實(shí)施例1中步驟2)；3)將步驟2)得到的坯體置于氮化硼坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具體 是先抽真空至后充入氮?dú)庵脸捍蜷_放氣閥，并保持隊(duì)以5L/min流量流通，從室 溫開始升溫，以20°C /min升溫速率升至1000°C，再以6V /min升溫速率升至1750°C并保 溫lh，再以2V /min升溫速率升至1900°C并保溫4h后冷卻至室溫，得到Y(jié)-ALON燒結(jié)體；4)得到的γ -ALON燒結(jié)體密度為3. 69g/cm3,抗彎強(qiáng)度為315MPa，試樣經(jīng)光學(xué)拋光 至Imm厚，在波長(zhǎng)1.2μπι 5μπι范圍內(nèi)的平均線性透光率為71 %。實(shí)施例4 1)同實(shí)施例2中步驟1)，只是燒結(jié)助劑為MgO、Y2O3> La2O3的混合物，加入量為 0. 3wt%，粘結(jié)劑為聚乙酸乙烯酯，一起放入球磨罐中球磨混料他；2)同實(shí)施例2中步驟2)；3)將步驟2)得到的坯體置于氮化硼坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具體 是先抽真空至后充入氮?dú)庵脸捍蜷_放氣閥，并保持隊(duì)以6L/min流量流通，從室 溫開始升溫，以20°C /min升溫速率升至1000°C，再以5°C /min升溫速率升至1720°C并保 溫lh，再以3°C /min升溫速率升至1920°C并保溫4h后冷卻至室溫，得到Y(jié)-ALON燒結(jié)體；4)得到的γ -ALON燒結(jié)體密度為3. 67g/cm3,抗彎強(qiáng)度為301MPa，試樣經(jīng)光學(xué)拋光 至Imm厚，在波長(zhǎng)1.2μπι 5μπι范圍內(nèi)的平均線性透光率為67%。實(shí)施例5 1)同實(shí)施例2中步驟1)，只是燒結(jié)助劑加入量為0. 5wt %，粘結(jié)劑為聚甲基丙烯酸 甲酯，一起放入球磨罐中球磨混料12h ；2)同實(shí)施例2中步驟2)；3)將步驟2)得到的坯體置于高純石墨坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具 體是先抽真空至后充入氮?dú)庵脸捍蜷_放氣閥，并保持隊(duì)以5L/min流量流通，從 室溫開始升溫，以20°C /min升溫速率升至1000°C，再以5°C /min升溫速率升至1720°C并 保溫lh，再以3°C /min升溫速率升至1880°C并保溫4h后冷卻至室溫，得到γ-ALON燒結(jié) 體；4)得到的γ -ALON燒結(jié)體密度為3. 67g/cm3,抗彎強(qiáng)度為312MPa，試樣經(jīng)光學(xué)拋光 至Imm厚，在波長(zhǎng)1.2μπι 5μπι范圍內(nèi)的平均線性透光率為66%。實(shí)施例6 1)同實(shí)施例2中步驟1)；2)同實(shí)施例2中步驟2)，只是冷等靜壓壓力為150MPa ；3)將步驟2)得到的坯體置于氮化硼坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具體 是先抽真空至后充入氮?dú)庵脸捍蜷_放氣閥，并保持隊(duì)以4L/min流量流通，從室 溫開始升溫，以10°C /min升溫速率升至1000°C，再以5°C /min升溫速率升至1720°C并保 溫濁，再以3°C /min升溫速率升至1920°C并保溫Mi后冷卻至室溫，得到Y(jié)-ALON燒結(jié)體；4)得到的γ -ALON燒結(jié)體密度為3. 71g/cm3,抗彎強(qiáng)度為^5MPa，試樣經(jīng)光學(xué)拋光至Imm厚，在波長(zhǎng)1.2μπι 5μπι范圍內(nèi)的平均線性透光率為77%。實(shí)施例7 1)同實(shí)施例2中步驟1)；2)同實(shí)施例2中步驟2)，只是冷等靜壓壓力為250MPa ；3)將步驟2)得到的坯體置于鎢坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具體是先 抽真空至后充入氮?dú)庵脸捍蜷_放氣閥，并保持N2以5L/min流量流通，從室溫開始 升溫，以15°C /min升溫速率升至1000°C，再以5°C /min升溫速率升至1720°C并保溫Ih，再 以3°C /min升溫速率升至1880°C并保溫4h后冷卻至室溫，得到Y(jié) -ALON燒結(jié)體；4)得到的γ -ALON燒結(jié)體密度為3. 69g/cm3,抗彎強(qiáng)度為308MPa，試樣經(jīng)光學(xué)拋光 至Imm厚，在波長(zhǎng)1.2μπι 5μπι范圍內(nèi)的平均線性透光率為73%。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明制備的Y-ALON透明陶瓷具有透光率高、機(jī)械強(qiáng)度好、斷裂韌性 強(qiáng)、耐磨耐久性和抗穿透性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可被廣泛地應(yīng)用于透明防彈裝甲、透紅外微波天線 罩、紅外傳感器窗口等國(guó)防軍事領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟1)以α-Al2O3粉和AlN粉為原料，兩者的摩爾百分比為64 68 32 36，且摩爾百 分比之和為100%，添加適量燒結(jié)助劑，連同粘結(jié)劑、無水乙醇及高純氧化鋁球一起放入球 磨罐中球磨混料8 12h，球磨好的料漿過325目篩，噴霧造粒得到造粒粉，備用；2)將步驟1)得到的造粒粉裝進(jìn)乳膠模具并密封，置于冷等靜壓機(jī)中在150 250MPa 的壓力下致密化成型，獲得致密度高且密度均勻的坯體，80°C下干燥Mh ；3)將步驟2)得到的坯體置于坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，具體是抽真空至 燒結(jié)爐內(nèi)壓力小于10-2 ，關(guān)閉真空泵并充氮?dú)庵脸?，維持一定的氮?dú)饬髁浚偌訜嵘郎?至1700 1750°C保溫1 2h，然后繼續(xù)升溫至1880 1920°C保溫4 6h，隨爐冷卻，得 到γ -ALON燒結(jié)體；4)將步驟3)得到的Y-ALON燒結(jié)體進(jìn)行光學(xué)拋光，既得高透光率Y-ALON透明陶瓷。
2.如權(quán)利要求1所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于A1N粉的 N含量> 33. 3%，雜質(zhì)0含量< 0. 85%，其它雜質(zhì)總含量< 800ppm，比表面積為2. 45m2/g， D50 < 1 μ m ； α -Al2O3粉的純度≥99. 95%,雜質(zhì)Si含量< 80ppm，雜質(zhì)Na含量< 20ppm，雜 質(zhì)!^e 含量< 50ppm，雜質(zhì) Cu 含量< 20ppm，D50 < 1 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于燒結(jié)助 劑為Mg0、Y203、&02、Lii2O3中至少三種的任意混合，并且燒結(jié)助劑的含量為由α -Al2O3粉和 AlN粉構(gòu)成的物料總量的0. 3 0. 5wt%，由α -Al2O3粉和AlN粉構(gòu)成的物料與高純氧化鋁 球及無水乙醇的質(zhì)量比為1 2 1。
4.如權(quán)利要求1所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于粘結(jié)劑 為聚乙烯醇縮丁醛、聚乙酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種，含量為由α-Al2O3粉和 AlN粉構(gòu)成的物料總量的0. 3wt%。
5.如權(quán)利要求1所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于高純氧 化鋁球的氧化鋁含量大于99%，耐磨系數(shù)小于0. 01g/kg · h。
6.如權(quán)利要求1所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于坩堝為 耐高溫且高溫下性能穩(wěn)定的氮化硼坩堝、高純石墨坩堝或鎢坩堝。
7.如權(quán)利要求1所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于步驟3) 中氮?dú)饬髁繛? 6L/min。
8.如權(quán)利要求1所述的高透光率Y-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于步驟3) 中，室溫至1000°C燒結(jié)爐的升溫速率為10 20°C /min, 1000°C至1700°C燒結(jié)爐的升溫速 率為5 7V /min, 1700°C至1920°C燒結(jié)爐的升溫速率為1 3°C /min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高透光率γ-ALON透明陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟1)以α-Al2O3粉和AlN粉為原料，兩者的摩爾百分比為64～68∶32～36，且摩爾百分比之和為100％，添加適量燒結(jié)助劑，連同粘結(jié)劑、無水乙醇及高純氧化鋁球一起放入球磨，備用；2)將步驟1)得到的造粒粉裝進(jìn)乳膠模具中，在150～250MPa下致密化成型，獲得致密度高且密度均勻的坯體，80℃下干燥24h；3)將步驟2)得到的坯體置于坩堝中在高溫氮?dú)鉄Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)；4)將步驟3)得到的γ-ALON燒結(jié)體進(jìn)行光學(xué)拋光，既得高透光率γ-ALON透明陶瓷。根據(jù)本發(fā)明，高透光率γ-ALON透明陶瓷在降低設(shè)備要求、降低燒成溫度和縮短燒成周期的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了低成本制備。
文檔編號(hào)C04B35/58GK102093057SQ20101056703
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者馮柳, 李正民, 牛金葉, 陳志偉, 魏春城 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)