CN101624290B - 一种高透明细晶氧化铝陶瓷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备高透明细晶Al2O3陶瓷的方法，属于陶瓷材料领域。其特征在于通过HF酸对常规商业α-Al2O3超细粉体进行处理，然后通过放电等离子体烧结制备细晶高透明的Al2O3陶瓷。所述的方法的突出特点是，通过HF酸处理可以明显降低α-Al2O3粉体的团聚度并提高其烧结性，通过放电等离子体烧结可以在的较低温度下即可获得完全致密且具有高的线性透过率的细晶透明Al2O3陶瓷。
Description
技术领域
本发明涉及一种高度透明细晶氧化铝陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料领域。
背景技术
透明氧化铝陶瓷是一种重要的光学透明材料。常规透明氧化铝陶瓷通常经高温长时间烧结制备，晶粒尺寸大(几十微米)，强度低，并且大晶粒尺寸下使得双折射效应对光线的扭曲度增强。基于以上原因，虽然常规透明氧化铝陶瓷具有很高的漫透过率，但其线性透射率却较低(通常都在10-15％以下)，属于半透明陶瓷，不适合应用于一些对材料光学和力学性能要求较高的领域。为了克服常规透明氧化铝陶瓷的上述缺点，近年来高透明细晶氧化铝的研制成为了热点。
在细晶透明氧化铝陶瓷中，因氧化铝细小使得晶粒双折射效应对光线的扭曲度大幅度降低，因此材料不仅具有很高的强度而且具有很高的光学线性透过率，作为高质量的高压钠灯灯管、透明装甲、高温观察窗和其他透明窗口材料具有广阔的应用前景。但是高透明细晶氧化铝陶瓷的制备对原料粉体要求非常严格，必须以无团聚的高纯超细纳米α-Al2O3粉体为原料，实际上目前报导的高透明细晶氧化铝陶瓷几乎完全采用日本大明化学工业株式会社生产的TM-DAR型低团聚高烧结活性α-Al2O3粉体为原料。因此，粉体来源渠道少，价格昂贵，这限制了材料的发展和应用。另外，为了降低材料的烧结温度，抑制氧化铝晶粒生长，目前具有高线性透射率的透明氧化铝陶瓷几乎完全通过热等静压烧结制备，致使材料烧结成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种较为廉价的高透明氧化铝陶瓷制备方法，以解决高透明细晶氧化铝陶瓷的制备中存在的上述问题。
本发明目的的实施是以普通廉价商业α-Al2O3超细粉体为原料，通过超声波辅助下HF酸酸蚀处理对粉体进行改性，然后在较低温度下无需任何烧结添加剂通过放电等离子体烧结制备成高透明的氧化铝陶瓷。具体地说，首先在超声波作用下将α-Al2O3原料粉体在HF酸中进行酸蚀处理，利用超声波作用下HF酸对粉体团聚颗粒的晶界和粉体颗粒表面钝化层的强烈腐蚀作用降低粉体的团聚度，提高粉体的表面活性。HF酸处理后的α-Al2O3粉体用乙醇进行多次抽滤和洗涤至pH≈7，脱水后经80～100℃真空干燥5～10小时，最后通过放电等离子体烧结技术在较低温度快速烧结即可得到高透明的氧化铝陶瓷。主要工艺参数如下：
1.材料制备所用的Al2O3粉体为粒径在50-300nm之间的α-Al2O3。
2.粉体处理所用的HF酸浓度在10-20wt％之间，α-Al2O3粉体与HF酸的体积比在1∶20-1∶10之间，粉体处理时间在3-12小时。
3.放电等离子体烧结温度在1200-1450℃之间，烧结时施加的外压力为100～200MPa，烧结的保温时间为1-5分钟，烧结时气氛为真空，真空度10-2～10-3Pa，所制得的α-Al2O3细晶陶瓷晶粒尺寸1.5～2.5μm左右。
本发明的突出优点是：
通过超声波辅助下的HF酸酸蚀处理可以大幅度降低氧化铝粉体的团聚度并提高粉体颗粒表面活性，进而显著提高材料的烧结性，因此即使采用团聚度较大的普通商业氧化铝超细粉体也可以获得高透明的氧化铝陶瓷。这对于高透明氧化铝陶瓷制备原料成本的降低和原料来源的多样化具有重要的意义。且本发明制备工艺处理的Al2O3细粉，在烧结时无需添加任何烧结添加物即可获得烧结致密的坯体，且在可见光范围内线性透过率介于50～60％之间(详见实施例)。
附图说明
图1为实施例1中α-Al2O3原料粉体的扫描电镜照片。
图2为实施例1中氧化铝陶瓷的扫描电镜照片。
图3为实施例1中氧化铝陶瓷的光学显微镜照片及其光学线性透过率曲线。
图4为实施例2中α-Al2O3原料粉体经HF酸处理6小时后的扫描电镜照片。
图5为实施例2中氧化铝陶瓷的扫描电镜照片。
图6为实施例2中透明氧化铝陶瓷的光学显微镜照片及其光学线性透过率曲线。
图7为实施例3中氧化铝陶瓷的扫描电镜照片。
图8为实施例3中透明氧化铝陶瓷的光学显微镜照片及其光学线性透过率曲线。
具体实施方式
下面结合实施例的描述进一步说明本发明的创新点而非限制本说明。
实施例1
以比表面积为5m2/g的普通商业α-Al2O3粉体(HFF-5，吴淞化肥厂)为原料，在100MPa外加压力下真空中1350℃放电等离子烧结3分钟(Dr.Sinter1020，Sumitomo Coal Mining Co.，Ltd.，Japan)制备氧化铝陶瓷。图1为粉体的扫描电镜照片。可见虽然粉体的一次颗粒尺寸在200-300nm之间，但其中存在着大量的尺寸在1-1.5μm的团聚颗粒。图2为烧结试样的扫描电镜照片。由于粉体中大尺寸团聚颗粒的存在使得材料在烧结过程中发生晶粒异常长大，材料晶粒尺寸高达5.2μm，并出现晶内型气孔，由此导致材料透明性下降。图3为上述烧结试样的光学线性透过率曲线和光学显微镜照片。可以发现，其在可见光范围内线性透过率只有10％左右，材料至多为半透明状。
实施例2
首先，配制浓度为10wt％的HF酸溶液，然后将实施例1中的α-Al2O3粉体超声分散到HF溶液中，粉体和HF酸溶液的体积比为1∶19。上述悬浮液经超声分散处理6小时后，用蒸馏水多次洗涤至pH～7左右，以去除HF。在此基础上进一步用无水乙醇对粉体进行抽滤洗涤使其充分脱水，然后经100℃真空干燥8小时。处理后的粉体于10-2Pa真空条件下通过放电等离子体烧结技术进行烧结，烧结压力为100MPa，烧结温度和烧成保温时间分别为1300℃和3分钟。图4和5分别为HF酸处理后的Al2O3粉体和烧结试样 的扫描电镜照片。可见粉体经HF酸处理后其颗粒团聚度大幅度下降，烧结试样显微结构均匀，无残余气孔存在，且晶粒尺寸只有1.8μm。材料良好的显微结构使得其透明性大幅度提高(图6)，在可见光范围内其线性透过率达到了50-60％。
实施例3
本实施例中所用粉体及粉体处理工艺与实施例2相同，所不同的是材料在100MPa外加压力下于1350℃放电等离子烧结3分钟制备。图7为所得材料的扫描电镜照片。可以发现材料显微结构均匀，无残余气孔存在，氧化铝的晶粒尺寸在2.2μm左右。相对于同温度下由未经HF酸处理的氧化铝粉体烧结试样，其晶粒尺寸减小了3μm。图3为烧结试样的光学显微镜照片及其光学线性透过率曲线。与实施例2相同，材料表现出良好的透明性，其在可见光范围内的线性透过率达到了50-60％。
Claims (3)
1.一种制备高透明细晶Al2O3陶瓷的方法，其特征在于以商业α-Al2O3超细粉体为起始原料，经HF酸处理，不需要外加任何烧结添加剂，最后通过放电等离子体烧结制成的，包括以下步骤：
首先在超声波作用下将α-Al2O3超细粉体在HF酸中进行酸蚀处理；
HF酸处理后的α-Al2O3超细粉体用乙醇进行多次抽滤和洗涤至pH≈7，脱水后经80～100℃真空干燥5～10小时；
最后通过放电等离子体烧结技术在较低温度快速烧结；
所述α-Al2O3超细粉体的粒径在50-300nm之间；
所述HF酸浓度在10-20wt％之间，α-Al2O3超细粉体与HF酸的体积比在1∶20-1∶10之间；
所述酸蚀处理时间在3-12小时；
所述放电等离子体烧结温度在1200-1450℃之间，烧结时施加的外压力为100～200MPa，烧结的保温时间为1-5分钟，烧结时气氛为真空，真空度10-2～10-3Pa。
2.按权利要求1所述的制备高透明细晶Al2O3陶瓷的方法，其特征在于制成Al2O3陶瓷在可见光范围内线性透过率为50～60％。
3.按权利要求2所述的制备高透明细晶Al2O3陶瓷的方法，其特征在于所制得的Al2O3陶瓷的晶粒尺寸为1.5～2.5μm。
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