專(zhuān)利名稱(chēng)：高撓曲強(qiáng)度燒結(jié)氧化鋁制品及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高撓曲強(qiáng)度燒結(jié)氧化鋁制品及其制備工藝，尤其涉及一種燒結(jié)氧化鋁制品，它具有極高的撓曲強(qiáng)度并可用作高可靠性的電子材料，建筑材料及醫(yī)學(xué)材料，以及其在常壓下燒結(jié)的制備工藝。
一種普通燒結(jié)氧化鋁制品的撓曲強(qiáng)度很低，只有2000～4000kg/cm2，其制備方法是將剛玉(Al2O3)粉末在預(yù)制模中成型然后在常壓下燒結(jié)該預(yù)成型坯件。
另一種在高壓下燒結(jié)預(yù)成型坯件而得的普通燒結(jié)氧化鋁制品的撓曲強(qiáng)度提高到6000～8000k歇/cm2，但這種高壓燒結(jié)過(guò)程十分昂貴，因此所得的燒結(jié)氧化物制品價(jià)格很高。此外，高壓燒結(jié)過(guò)程限制了燒結(jié)制品的形狀。
目前實(shí)際應(yīng)用的是一種燒結(jié)鐵氧體制品，其中的燒結(jié)鐵氧體粒子定向排列。這種鐵氧體粒子的定向排列可形成一種各向異性磁體，但卻不是一種高強(qiáng)度制品。這種燒結(jié)鐵氧體制品的制備方法是利用刮刀法或壓延法將鐵氧體的片狀晶體顆粒成型為晶體條帶，再將這些條帶互相重疊后進(jìn)行燒結(jié)。由于鐵氧體片狀晶體顆粒極易用鐵氧體團(tuán)塊研磨而得，因而具有定向燒結(jié)鐵氧體的制品也很容易制得。
但是，利用研磨法來(lái)制備片狀剛玉晶體顆粒卻非常困難，因而具有定向燒結(jié)剛玉的制品也很難制得。根據(jù)日本已審定的專(zhuān)利公報(bào)No.37-7750中公開(kāi)的方法，片狀剛玉晶體顆?？捎靡簾崽幚硌趸X粒子或氫氧化鋁粒子來(lái)制取。其方法是先在100°～300℃溫度和20～100大氣壓下制得一水軟鋁石(AlOOH)粒子，再在200大氣壓或更高的壓力下在350℃或更高溫度的水或堿性水溶液中對(duì)AlOOH粒子作進(jìn)一步熱液處理。在上述方法，在200大氣壓或更高的高壓下處理可制得剛玉粒子，但這種高壓使所得的片狀剛玉晶體顆粒具有1μm或更厚的厚度，此外，在預(yù)期的制品中這種過(guò)厚的粒子很難定向。
在另一種方法中，用干法熱處理氧化鋁粒子或氫氧化鋁粒子來(lái)制得片狀剛玉晶體顆粒，但此法獲得的大粒子尺寸為10μm或更大，因而很難將這些粒子牢固結(jié)合在一起。
本發(fā)明的目的之一是提供一種比普通高壓燒結(jié)法制得的燒結(jié)氧化鋁制品撓曲強(qiáng)度更高的燒結(jié)氧化鋁制品以及一種低成本的在常壓下進(jìn)行的燒結(jié)制備工藝。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種形狀無(wú)限制的高撓曲強(qiáng)度燒結(jié)氧化鋁制品及其制備工藝，這種工藝可在不限制制品形狀條件下方便地實(shí)施。
上述目的可由本發(fā)明工藝制備的燒結(jié)氧化鋁制品來(lái)達(dá)到。
本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品中含有燒結(jié)片狀剛玉晶體顆粒，這些顆粒都具有兩個(gè)平行的解理面并相互聚集和結(jié)合在一起，其結(jié)合方式使得這些相互聚集的片狀剛玉晶體顆粒的解理面基本上互相平行。
本發(fā)明的工藝包括以下步驟將具有兩個(gè)平行解理面的片狀剛玉結(jié)晶顆粒在預(yù)制模中成型以得到預(yù)成型坯件，此坯件中的片狀剛玉結(jié)晶顆粒相合聚集和結(jié)合在一起，其結(jié)合方式使得這些相互聚集的片狀剛玉晶體顆粒的解理面基本上互相平行;然后將所得預(yù)成型坯件在1500℃或更高的溫度及常壓下燒結(jié)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1示出適用于本發(fā)明的片狀剛玉晶體顆粒;
圖2示出本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品的實(shí)施例，其中很多片狀剛玉晶體顆粒相互聚集和結(jié)合;
圖3示出本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品的實(shí)施例的X射線衍射圖。
優(yōu)選實(shí)施例的描述本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品中含有很多片狀剛玉(Al2O3)晶體顆粒，這些顆粒都具有兩個(gè)解理面并與晶體的軸面平行。制品中的片狀剛玉晶體顆粒相互聚集和結(jié)合，其結(jié)合方式使得這些相互聚集的片狀晶體顆?；旧匣ハ嗥叫小＜丛跓Y(jié)制品中的片狀晶體顆粒處于定向排列狀態(tài)。
燒結(jié)氧化鋁制品中片狀剛玉晶體顆粒的取向程度可從X射線衍射圖來(lái)決定，取向程度在30%或以上較好，40%或以上則更好。
本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品的制備方法是將具有兩個(gè)平行解理面的片狀剛玉結(jié)晶顆粒在預(yù)制模中成型以得到預(yù)成型坯件，此坯件中的片狀剛玉結(jié)晶顆粒相互聚集，其聚集方式使得聚集的片狀剛玉結(jié)晶顆粒的解理面基本上相互平行。然后將所得的預(yù)成型坯件在1500℃或以上，最好在1500℃～1900℃溫度及常壓下燒結(jié)以使聚集的片狀剛玉結(jié)晶顆粒相互緊密結(jié)合。
片狀剛玉結(jié)晶顆粒的軸面的主晶軸長(zhǎng)最好在0.05～10μm之間，而厚度為0.01～1μm。
當(dāng)片狀剛玉結(jié)晶顆粒的軸面的主晶軸長(zhǎng)小于0.05μm時(shí)，所得的燒結(jié)制品的可鑄性有時(shí)不夠滿意，而當(dāng)主晶軸長(zhǎng)大于10μm時(shí)，所得的燒結(jié)剛玉制品的燒結(jié)性能有時(shí)不夠滿意。
此外，當(dāng)片狀結(jié)晶顆粒的厚度小于0.01μm時(shí)，所得的燒結(jié)制品的可鑄性有時(shí)不夠滿意，而當(dāng)厚度大于1μm時(shí)，所得的燒結(jié)制品的定向性質(zhì)有時(shí)不夠滿意。
用于本發(fā)明的片狀剛玉結(jié)晶顆粒的制備方法是在350℃或更高，最好在350°～800℃溫度及100大氣壓或以下，最好在5～100大氣壓下用熱液法處理主晶軸長(zhǎng)為10μm或以下，最好是0.01μm～10μm的三水鋁石(Al(OH)3)顆粒。
在對(duì)三水鋁石進(jìn)行熱液處理時(shí)，若三水鋁石顆粒的主晶軸長(zhǎng)大于10μm，則只有在200大氣壓或更高的壓力下才能將其轉(zhuǎn)變?yōu)閯傆耦w粒，但在100大氣壓或以下這種轉(zhuǎn)變就不會(huì)發(fā)生。
此外，當(dāng)三水鋁石顆粒的主晶軸長(zhǎng)為10μm或以下時(shí)，它們可直接轉(zhuǎn)變成片狀剛玉晶體顆粒，這些顆粒具有兩個(gè)相互平行的解理面，適宜的尺寸及厚度。此時(shí)的熱液處理在350℃或更高溫度及100大氣壓或以下較低的壓力下進(jìn)行且不經(jīng)過(guò)一水軟鋁石(AlOOH)態(tài)。
在三水鋁石轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺顒傆窠Y(jié)晶顆粒的過(guò)程中，如果熱液處理溫度低于350℃，則不會(huì)產(chǎn)生剛玉顆粒。在熱液處理的溫度范圍為350℃或以上，最好是在350℃～800℃之間時(shí)，溫度越高，所得的片狀剛玉結(jié)晶顆粒的厚度越小。此外，如果熱液處理壓力高于100大氣壓，則所得的剛玉顆粒的厚度會(huì)太厚。這樣獲得的大厚度的片狀剛玉結(jié)晶顆粒不適宜制造本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品。
在熱液處理三水鋁石時(shí)，若壓力在5～100大氣壓范圍內(nèi)，則壓力越低，所得的片狀剛玉結(jié)晶顆粒的厚度越小。
在三水鋁石顆粒轉(zhuǎn)變過(guò)程中向熱液處理系統(tǒng)中加入重量比為0.01～5%的碳酸鈉或氫氧化鈉可以有效地促進(jìn)片狀剛玉晶體粒子的生成。
此外，向熱液處理系統(tǒng)中加入比要求的剛玉顆粒尺寸小的剛玉顆?？捎行У卮龠M(jìn)片狀剛玉晶體的生長(zhǎng)，其原因是小尺寸的剛玉顆粒成了片狀剛玉晶體的晶核。
參見(jiàn)圖1，一顆片狀剛玉結(jié)晶顆粒1有兩個(gè)相互平行的解理面2并可沿平行于晶體的軸面，即平行于解理面2劈開(kāi)。
參見(jiàn)圖2，一個(gè)燒結(jié)氧化鋁制品3由許多片狀剛玉結(jié)晶顆粒4組成。這些顆粒相互聚集和結(jié)合。其結(jié)合方式使得聚集的片狀剛玉結(jié)晶顆粒4的解理面基本上相互平行。即聚集的片狀剛玉結(jié)晶顆?？梢栽诖竺娣e的解理面上相互緊密結(jié)合。
本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品也可呈層狀。這種燒結(jié)層也可是帶狀。
在制備預(yù)制坯件時(shí)，先將片狀剛玉晶體顆粒與可燃性的粘合劑混合，例如它可由至少以下一種有機(jī)聚合物組成，如聚乙烯醇，聚乙烯醇縮丁醛，聚乙二醇，然后將所得的混合物以層狀物形式外涂，例如，將其以帶狀形式涂在用刮刀法或壓延法制得的基質(zhì)平面上。當(dāng)按上述方法將混合物涂在基質(zhì)平面上后，向片狀結(jié)晶顆粒上施加剪切力和壓力以使片狀結(jié)晶顆粒的解理面與涂帶的表面平行，因而解理面間也相互平行。片狀結(jié)晶顆粒排列的方便程度使得其軸面互相平行，這種方便程度隨軸面主晶軸長(zhǎng)對(duì)片狀結(jié)晶顆粒厚度比率的增大而提高，而隨著帶狀制品的厚度增加而下降。
可燃性粘合劑的用量在待粘合顆粒的1%～20%之間，最好是5%～10%。
預(yù)成型坯件的制備方法可以是將一組預(yù)成型的層(帶)狀制品相互重疊并在50℃～200℃溫度下，最好是在100℃左右熱壓這些相互重疊的帶狀制品以使其互相合粘合成一體。
另一種預(yù)成型坯件的制備方法可以是將一層或幾層預(yù)成型層(帶)狀顆粒重疊在一層或幾層基本上由非片狀氧化鋁顆粒構(gòu)成的另一種預(yù)成型帶狀或?qū)訝铑w粒上，例如，非片狀的剛玉結(jié)晶顆粒，非晶形氧化鋁或由至少以上兩種顆粒組成的混合物。然后在50℃～200℃下熱壓上述重疊的預(yù)成型制品以使其粘合成一體。
非片狀氧化鋁顆粒的粒度最好比片狀剛玉結(jié)晶顆粒的粒度小些以便于燒結(jié)。非晶形氧化鋁顆粒的尺寸最好在1μm或以下。
預(yù)成型坯件的燒結(jié)溫度為1500℃或以上，最好是1500℃～1900℃，燒結(jié)時(shí)間為1～24小時(shí)，最好是3～10小時(shí)，壓力為常壓。
如果燒結(jié)溫度低于1500℃，則氧化鋁制品無(wú)法充分燒結(jié)，因而所得制品的撓曲強(qiáng)度不夠滿意。燒結(jié)氧化鋁制品中的片狀剛玉結(jié)晶顆粒的取向程度隨燒結(jié)溫度上升及燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)而增加。
當(dāng)燒結(jié)由一層或幾層片狀剛玉結(jié)晶顆粒的層或帶與另一種由一層或幾層非片狀氧化鋁層或帶組成的預(yù)成型制品時(shí)，在片狀結(jié)晶顆粒層及非片狀結(jié)晶顆粒層之間的熱收縮稍有不同。
通常，在燒結(jié)過(guò)程中另一種非片狀粒子的燒結(jié)層的收縮比片狀晶體顆粒燒結(jié)層的收縮稍大一些。
在另一種非片狀粒子的燒結(jié)層中的較大收縮產(chǎn)生了一種施加在片狀晶體顆粒燒結(jié)層上的壓縮力，這一壓縮力的施加使片狀晶體顆粒燒結(jié)層上產(chǎn)生了一個(gè)對(duì)應(yīng)于此壓縮力的預(yù)應(yīng)力。在片狀晶體顆粒燒結(jié)層上產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力能有效地吸收至少一部份施加在燒結(jié)氧化鋁制品上的外力從而提高了其撓曲強(qiáng)度。
在本發(fā)明的工藝中，燒結(jié)過(guò)程系在常壓下進(jìn)行，因而費(fèi)用很低。
如上所述，本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品具有極高的撓曲強(qiáng)度，制備方便，成本低。因此，本發(fā)明的氧化鋁制品不僅可用作電子材料及醫(yī)學(xué)材料，也可用作建筑材料，還可在多種工業(yè)部門(mén)中應(yīng)用。
本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品具有下述優(yōu)點(diǎn)1.盡管燒結(jié)操作是在常壓下進(jìn)行的，但本發(fā)明所得的燒結(jié)氧化鋁制品的撓曲強(qiáng)度卻高于常規(guī)高壓燒結(jié)的制品。
2.本發(fā)明的常壓燒結(jié)方法使得燒結(jié)氧化鋁制品可具有任意形狀，相反，在常規(guī)高壓燒結(jié)法中，所能得到的燒結(jié)氧化鋁制品的形狀卻被限制在某些特殊形狀內(nèi)。
3.本發(fā)明的燒結(jié)氧化鋁制品具有很高的填充密度，因而可在多種領(lǐng)域中應(yīng)用，例如，用作高可靠性的電子材料，建筑材料及醫(yī)學(xué)材料。
以下將利用某些特例進(jìn)一步解釋本發(fā)明，但這些實(shí)例將只是代表本發(fā)明而絕不限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1(A)片狀剛玉(Al2O3)結(jié)晶顆粒的制備在600℃及20大氣壓下熱液處理一種混合物15小時(shí)。這種混合物中按重量計(jì)，含有89.74%的三水鋁石(Al(OH)3)顆粒，其平均粒度尺寸為1.0μm;0.26%的碳酸鈉顆粒;10%的非片狀剛玉顆粒，其平均粒度尺寸為0.5μm。所得的片狀剛玉結(jié)晶顆粒的解理面平均主晶軸長(zhǎng)為1.0μm，平均厚度為0.2μm。
(B)燒結(jié)氧化鋁的制作按重量計(jì)算的100份片狀剛玉結(jié)晶顆粒與28份重量濃度為33%的聚乙烯醇相混合。用滾子成型機(jī)將此混合物做成厚度為0.2mm的條帶并將此帶切成十條。
這十條混合物帶然后互相重疊并在100℃下熱壓。所得的預(yù)成型坯件在1800℃下燒結(jié)5小時(shí)。
所得的燒結(jié)氧化鋁制品(帶)的撓曲強(qiáng)度為5800kg/cm2，其取向程度由X射線衍射圖測(cè)定為40%。
實(shí)施例2(A)片狀剛玉結(jié)晶顆粒的制備與實(shí)施例1中描述的實(shí)施程序相同，但三水鋁石的平均粒度尺寸為3.0μm，所得的片狀剛玉結(jié)晶顆粒的解理面平均主晶軸長(zhǎng)為3.0μm，平均厚度為0.2μm。
(B)燒結(jié)氧化鋁制品的制作與實(shí)施例1中描述的實(shí)施程序相同，但所用的是本例中(A)法制備的片狀剛玉結(jié)晶顆粒。
所得的燒結(jié)氧化鋁制品的撓曲強(qiáng)度為6200kg/cm2在X射線衍射圖上(Cu-Kd，40Kv，100mA，石墨單色儀，DS1°，SS0.15)測(cè)定的取向程度為90%，見(jiàn)圖3。
比較實(shí)例1(A)比較剛玉顆粒的制備與實(shí)施例1中描述的實(shí)施程序相同，但熱液處理的壓力為200大氣壓。
所得產(chǎn)物由非片狀剛玉結(jié)晶顆粒構(gòu)成，平均主晶軸長(zhǎng)為1μm，平均厚度為1μm。
(B)比較燒結(jié)剛玉制品的制作與實(shí)施例1中描述的實(shí)施程序相同，但所用的是本例中(A)法制備的比較非片狀剛玉結(jié)晶顆粒。
所得的比較燒結(jié)氧化鋁制品的撓曲強(qiáng)度不夠滿意，為3200kg/cm2，用X射線衍射圖測(cè)定的取向程序低，為15%。
實(shí)施例3五條如實(shí)施例2中所述的厚度為0.2mm的片狀剛玉結(jié)晶顆粒預(yù)制帶與五條另一種按實(shí)例2中所述的方法制備的厚度為0.05mm的預(yù)制帶(其中使用平均粒子尺寸為0.1μm的非晶形氧化鋁顆粒而不是片狀剛玉結(jié)晶顆粒)相互交錯(cuò)重疊。
重疊后的預(yù)制帶在100℃溫度下熱壓，所得的預(yù)制坯件在1800℃下燒結(jié)約5小時(shí)。
所得的燒結(jié)氧化鋁制品的撓曲強(qiáng)度為8500kg/cm2，片狀剛玉結(jié)晶顆粒層的取向程度為60%。
實(shí)施例4與實(shí)施例3中描述的實(shí)施程序相同，但所用的另一種預(yù)制帶是用平均粒子尺寸為0.5μm，厚度為0.2μm的非片狀剛玉結(jié)晶顆粒制備的。
所得的燒結(jié)氧化鋁制品的撓曲強(qiáng)度為7700kg/cm2，片狀剛玉結(jié)晶顆粒層的取向程度為90%。
比較實(shí)例2
與實(shí)施例4中描述的實(shí)施程序相同，但所用的預(yù)制坯件完全是由實(shí)例4中所述的另一種預(yù)制帶制備的。
所得的比較燒結(jié)氧化鋁制品的撓曲強(qiáng)度為2500kg/cm2，取向程度為2%。
權(quán)利要求
1.一種高撓曲強(qiáng)度的燒結(jié)氧化鋁制品，其特征在于其中的燒結(jié)片狀剛玉晶體顆粒都具有兩個(gè)相互平行的解理面，它們相互聚集和結(jié)合在一起，其結(jié)合方式使得這些相互聚集的片狀晶體顆粒的解理面基本上互相平行。
2.權(quán)利要求1中的燒結(jié)氧化鋁制品，其特征在于其中的片狀剛玉晶體顆粒的解理面主晶軸長(zhǎng)為0.05～10μm，其厚度為001～1μm。
3.權(quán)利要求1中的燒結(jié)氧化鋁制品，其特征在于所述片狀剛玉結(jié)晶顆粒由粒度為10μm或以下的三水鋁石〔Al(OH)3〕粒子在350℃或以上溫度及100大氣壓或以下熱液處理而制得。
4.權(quán)利要求1中的燒結(jié)氧化鋁制品，其特征在于其形狀為層狀。
5.權(quán)利要求4中的燒結(jié)氧化鋁，其特征在于層狀制品為帶狀。
6.權(quán)利要求1中的燒結(jié)氧化鋁制品，其特征在于燒結(jié)片狀剛玉結(jié)晶顆粒為一層或多層，它們與一層或多層基本上由燒結(jié)非片狀氧化鋁顆粒組成的另一種層帶交替重疊并接合在一起。
7.權(quán)利要求6中的燒結(jié)氧化鋁制品，其特征在于片狀剛玉層及另一種非片狀氧化鋁層都呈帶狀。
8.制備具有高撓曲強(qiáng)度的燒結(jié)氧化鋁的工藝，包括以下步驟將具有兩個(gè)平行解理面的片狀剛玉結(jié)晶顆粒在預(yù)制模中成型以得到預(yù)成型坯件，此坯件中的片狀結(jié)晶顆粒相互聚集和結(jié)合在一起，其結(jié)合方式使得這些相互聚集的片狀晶體顆粒的解理面基本上相互平行;然后在1500℃或以上及常壓下燒結(jié)所得的預(yù)成型坯件。
9.權(quán)利要求8中的工藝，其特征在于片狀剛玉結(jié)晶顆粒是在350℃或以上溫度及100大氣壓或以下對(duì)粒度尺寸為10μm以下的三水鋁石(Al(OH)3)進(jìn)行熱液處理而制得。
10.權(quán)利要求8中的工藝，其特征在于片狀剛玉結(jié)晶顆粒預(yù)制成層狀。
11.權(quán)利要求8中的工藝，其特征在于片狀剛玉結(jié)晶顆粒預(yù)制成層狀。
12.權(quán)利要求8中的工藝，其特征在于制備預(yù)成型坯件時(shí)，片狀剛玉結(jié)晶顆粒制成一層或多層，它們并與一層或多層另一種基本上由非片狀氧化鋁顆粒層交錯(cuò)重疊。
13.權(quán)利要求12中的工藝，其特征在于片狀剛玉層及另一種非片狀氧化鋁層都呈帶狀。
14.權(quán)利要求8中的工藝，其特征在于制備預(yù)成型坯件時(shí)，結(jié)晶顆粒利用可燃性粘合劑粘結(jié)。
全文摘要
一種具有高撓曲強(qiáng)度的燒結(jié)氧化鋁制品，它由眾多都具有解理面的燒結(jié)片狀剛玉結(jié)晶顆粒相合聚集并結(jié)合而成，其結(jié)合方式使得這些相互聚集的片狀結(jié)晶顆粒的解理面基本上相互平行。其制備工藝是先將片狀剛玉結(jié)晶顆粒在預(yù)制模中成型以使片狀剛玉結(jié)晶顆粒按上述方式聚集，然后將所得預(yù)成型坯件在1500℃或更高溫度及常壓下燒結(jié)。
文檔編號(hào)C04B35/10GK1031361SQ8810467
公開(kāi)日1989年3月1日 申請(qǐng)日期1988年7月27日 優(yōu)先權(quán)日1987年7月27日
發(fā)明者高木茂栄, 矢野英雄, 奧隆司, 茂啟二郎, 久保田喜文, 宍倉(cāng)勉 申請(qǐng)人:住友水泥株式會(huì)社