CN106747399A - 一种细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于透明陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，包括：配制预混液；配制陶瓷浆料；注模成型；素坯干燥排胶；冷等静压成型；无压烧结；热等静压；退火；得到镁铝尖晶石透明陶瓷。该方法采用凝胶注模成型技术，所得MgAl2O4透明陶瓷素坯成分及结构均匀，有利于在烧结过程中坯体中气孔的排除，得到高透明、整体均匀性好的透明陶瓷；将素坯置于马弗炉中，在空气中无压烧结，工艺简单，且采用四步无压烧结法，能够使烧结后的块体晶粒尺寸在20μm以下，并且相对密度达到96％～98％，在块体内形成封闭气孔，经过热等静压处理后能够得到致密度高，光学性能良好的细晶MgAl2O4透明陶瓷。

Description

一种细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法
技术领域
本发明属于透明陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法。
背景技术
镁铝尖晶石透明陶瓷材料具有熔点高、绝缘性好、热膨胀系数小、耐腐蚀、耐磨损等优点，尤其具有良好的光学性能，在紫外、可见光、中红外光波段具有良好的光学透过率，使其成为一种重要的红外窗口和光学整流罩材料。常用的热压烧结，热压烧结/热等静压和无压烧结/热等静压法制备的镁铝尖晶石透明陶瓷强度在190MPa以下，与蓝宝石，ALON等材料相比，机械性能较低，限制了其应用领域。
因此制备具有较高的光学性能和较高力学性能的镁铝尖晶石透明陶瓷是当前的研究热点。而晶粒尺寸是影响陶瓷力学性能的主要因素，降低晶粒尺寸可以提高陶瓷的力学性能，因此开展细晶(晶粒尺寸小于30μm)镁铝尖晶石透明陶瓷制备方法的研究非常重要。目前关于细晶MgAl2O4透明陶瓷的制备报道很少，中国发明专利201010116930.5采用折线法无压烧结得到晶粒尺寸小于100nm的MgAl2O4透明陶瓷，但并没有报道样品的光学性能，并且弯曲强度在150MPa以下，力学性能较差。中国的张佩佩等人(Aqueous gelcasting ofthe transparent MgAl2O4spinel ceramics,Journal of Alloys and Compounds,2015,646:833-836)，以粒径0.27μm的尖晶石粉为原料，不添加烧结助剂，以去离子水为溶剂，采用凝胶注模成型素坯，在真空中1650℃预烧后，经过1650℃热等静压得到晶粒尺寸为22μm，具有较高透过率的Φ20mm×1mm的小尺寸MgAl2O4透明陶瓷，没有报道其力学性能；以色列的Adrian GOLDSTEIN等人(Transparent polycrystalline MgAl2O4spinel with submicrongrains,by low temperature sintering,Journal of the Ceramic Society of Japan,2009,117(11):1281-1283)采用火焰喷雾热解法合成的MgAl2O4粉为原料，用冷等静压成型素坯，在空气中1280℃预烧三小时后，经1320℃热等静压得到了直径20mm，晶粒尺寸为0.45μm的MgAl2O4透明陶瓷，但作者并没有报道其力学性能；德国的Krell等人(Fine-GrainedTransparent Spinel Windows by the Processing of Different Nanopowders,Journalof the Ceramic Society of American,2010,93(9):2656-2666)采用火焰喷雾热解法合成的MgAl2O4粉为原料，采用干压结合冷等静压的方法成型素坯，经无压烧结后，再经热等静压处理，得到晶粒尺寸在10μm以下的MgAl2O4透明陶瓷，没有报道其弯曲强度。Krell等人还采用富铝的尖晶石粉(Al2O3/MgO＝1.05-1.07)为原料，采用凝胶注模成型素坯，经无压烧结和热等静压制备出晶粒尺寸在10μm以下的MgAl2O4透明陶瓷，但并没有对其采用的凝胶体系进行说明，且没有报道其力学性能。
本发明以商用的，平均粒径小于200nm的化学计量比(Al2O3/MgO＝1)的MgAl2O4粉为原料，以LiF为烧结助剂，以甲基丙烯酰胺为单体，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，聚丙烯酸铵水溶液为分散剂，10wt％的过硫酸铵水溶液为引发剂，四甲基乙二胺为催化剂，在一定条件下引发凝胶聚合反应成型出素坯，将干燥和脱脂后的素坯冷等静压处理，在空气中经四步无压烧结后，再经热等静压处理和退火得到高透明，光学均匀性良好，晶粒尺寸细小，弯曲强度高的MgAl2O4透明陶瓷，用该种凝胶注模体系和无压烧结工艺制备出具有细晶，宽频，高强度特征的MgAl2O4透明陶瓷的相关结果未曾见过报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种细晶，宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，将凝胶注模成型技术与无压烧结相结合，制备的MgAl2O4透明陶瓷具有透波范围宽(0.2～6.5μm)，光学均匀性良好，晶粒尺寸细小(20μm以下)，弯曲强度高(大于240MPa)的特点。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：配制预混液；
将有机单体，交联剂，分散剂与去离子水混合，搅拌均匀后，用浓氨水调节溶液PH值为8～11，得到预混液；
步骤2：陶瓷浆料配制；
向步骤1配制的预混液中加入MgAl2O4陶瓷粉体与烧结助剂，经球磨混合后得到固相含量为27～35vol％的陶瓷浆料；
步骤3：注模成型；
将步骤2所得浆料在真空下，磁力搅拌除气泡；向所得浆料中加入引发剂和催化剂，搅拌后注入模具中，引发单体聚合反应，促使浆料凝胶，然后脱模即得到MgAl2O4陶瓷素坯；
步骤4：干燥及排胶；
将步骤3得到的MgAl2O4陶瓷素坯干燥，然后在空气中高温排胶，控制降温至200℃以下后自然冷却，得到MgAl2O4透明陶瓷素坯；
步骤5：冷等静压成型；
将步骤4得到的素坯在冷等静压机中于200MPa下冷等静压处理，进一步提高素坯的相对密度，得到最终的素坯；
步骤6：无压烧结；
将步骤5获得的素坯，在空气中1350～1550℃温度下无压烧结10～30h，得到MgAl2O4陶瓷块体；
步骤7：热等静压后处理；
将步骤6获得的陶瓷块体，置于热等静压炉内，在Ar气氛下，在1500～1600℃温度下，150～160MPa压力下，保温保压4～10h，得到MgAl2O4透明陶瓷；
步骤8：低温退火；
将步骤7获得的MgAl2O4透明陶瓷在空气中1100～1200℃退火5～15h，去除陶瓷中残留的C杂质。
其中，所述MgAl2O4陶瓷粉体为MgAl2O4单相、平均粒径小于200nm、纯度不低于99％，不需高能球磨细化，适合制作透明陶瓷；所述的烧结助剂为LiF，用量为粉体总量的0.2～0.5wt％。
其中，所述有机单体为甲基丙烯酰胺，交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，分散剂为43wt％聚丙烯酸铵水溶液，引发剂为10wt％的过硫酸铵水溶液，催化剂为四甲基乙二胺。
其中，步骤1中，按照有机单体与交联剂的质量比为(10～25):1，称取有机单体与交联剂溶解于去离子水，配制成单体浓度为8～20wt％的溶液，在溶液中加入分散剂，分散剂的加入量为MgAl2O4陶瓷粉体质量的3.4～4.5wt％。
其中，步骤2中，球磨为滚筒球磨，以耐磨氧化铝或氧化锆球为球磨介质，球料比为4:1～6:1，球磨转速为60～90r/min，球磨时间为6～24h。
其中，步骤3中，引发剂和催化剂的加入量为2:1，引发剂质量为MgAl2O4陶瓷粉体质量的0.2～1wt％；所用模具为有机玻璃模具，内表面涂覆石蜡以利于坯体脱模，在室温固化，固化完全后脱模。
其中，步骤4中，所述的干燥分为三步，第一步在室温下，湿度90％，干燥12～24h；第二步在空气中自然干燥48～72h；第三步在恒温干燥箱中以0.1℃/min从室温升温至110℃，在110℃干燥24h。所述的排胶为干燥后的MgAl2O4素坯在马弗炉中，以1℃/min升温至400℃，保温2小时，再以1℃/min升温至650℃，保温10h后控制降温至200℃以下后自然冷却。
其中，步骤5中，冷等静压工艺为将排胶后的MgAl2O4素坯置于冷等静压机中，先以90s匀速升压至200MPa，保压10～30min，然后自然泄压至150MPa，保压1min，再自然泄压至80MPa，保压1min，最后自然泄压至零点。
其中，步骤6中，将冷等静压后的MgAl2O4素坯放入马弗炉中，采用四步烧结法，第一步首先从室温升温至900～950℃，保温0.5～1h，升温速率为5℃/min；第二步升温至1100～1200℃，保温1～2h，升温速率为3℃/min；第三步升温至1350～1550℃，保温10～30h，升温速率为1～2℃/min，最后以5℃/min的速率控制降温到300℃，自然冷却至室温。
其中，步骤7中，将烧结后的MgAl2O4陶瓷块体置于热等静压炉中，先在室温下，向炉腔中充入36MPa压力的氩气，再以10℃/min升温至1200℃，再以5℃/min的速率升温至1500～1600℃，压力随着温度的升高自然膨胀至150～160MPa，保温保压4～10h，然后控制降温至300℃，最后自然冷却至室温；
步骤8中，将热等静压后的MgAl2O4透明陶瓷置于马弗炉中，以5℃/min升温至1100～1200℃，保温5～15h，去除陶瓷中残留的C杂质；
所述氩气纯度不低于99.99％，流速为0.5～5L/min。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
1)采用凝胶注模成型技术，所得MgAl2O4透明陶瓷素坯成分及结构非常均匀，非常有利于在烧结过程中坯体中气孔的排除，得到高透明、整体均匀性好的陶瓷体；
2)采用无压烧结技术，能够制备大尺寸，复杂形状的透明陶瓷制品，并且能够实现单炉多件烧结，生产效率高，有利于MgAl2O4透明陶瓷的批量化生产；
3)采用马弗炉作为烧结设备，与常用的真空感应烧结炉，热压炉相比，价格低廉，无需抽真空，操作非常简单，节约电能，并且不需外循环水对炉体冷却，危险性低，设备稳定性高；
4)采用四步烧结法，第一步首先从室温升温至900～950℃，保温0.5～1h，升温速率为5℃/min，可以使坯体中的LiF烧结助剂在低温形成液相，促进MgAl2O4粉体颗粒的重排，致密化；第二步升温至1100～1200℃，保温1～2h，升温速率为3℃/min，可以使LiF烧结助剂从坯体中完全排除，以免形成杂质影响材料的光学性能；第三步升温至1350～1550℃，保温10～30h，升温速率为1～2℃/min，可以使烧结后的MgAl2O4陶瓷块体的晶粒尺寸在20μm以下，相对密度达到96％～98％之间，形成封闭气孔，并且使气孔分布在晶界处，可以通过热等静压处理将气孔消除；最后以5℃/min的速率控制降温到300℃，可以避免降温速率过快而使MgAl2O4陶瓷块体开裂；
5)将无压烧结与热等静压相结合，制备的MgAl2O4透明陶瓷样品晶粒尺寸细小(20μm以下)，具有很高的弯曲强度(240MPa以上)，可以满足高马赫数，苛刻环境下的使用，拓宽了其应用领域。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的细晶MgAl2O4透明陶瓷实物示意图。
图2是本发明实施例1制备的细晶MgAl2O4透明陶瓷断面SEM示意图。
图3是本发明实施例2制备的细晶MgAl2O4透明陶瓷断面SEM示意图。
图4是本发明实施例3制备的细晶MgAl2O4透明陶瓷断面SEM示意图。
图5是本发明实施例1制备的细晶MgAl2O4透明陶瓷透过率曲线。
图6是本发明实施例3制备的细晶MgAl2O4透明陶瓷透过率曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：配制预混液；
将有机单体，交联剂，分散剂与去离子水混合，搅拌均匀后，用浓氨水调节溶液PH值为8～11，得到预混液；
步骤2：陶瓷浆料配制；
向步骤1配制的预混液中加入MgAl2O4陶瓷粉体与烧结助剂，经球磨混合后得到固相含量为27～35vol％的陶瓷浆料；
步骤3：注模成型；
将步骤2所得浆料在真空下，磁力搅拌除气泡；向所得浆料中加入引发剂和催化剂，搅拌后注入模具中，引发单体聚合反应，促使浆料凝胶，然后脱模即得到MgAl2O4陶瓷素坯；
步骤4：干燥及排胶；
将步骤3得到的MgAl2O4陶瓷素坯干燥，然后在空气中高温排胶，控制降温至200℃以下后自然冷却，得到MgAl2O4透明陶瓷素坯；
步骤5：冷等静压成型；
将步骤4得到的素坯在冷等静压机中于200MPa下冷等静压处理，进一步提高素坯的相对密度，得到最终的素坯；
步骤6：无压烧结；
将步骤5获得的素坯，在空气中1350～1550℃温度下无压烧结10～30h，得到MgAl2O4陶瓷块体；
步骤7：热等静压后处理；
将步骤6获得的陶瓷块体，置于热等静压炉内，在Ar气氛下，在1500～1600℃温度下，150～160MPa压力下，保温保压4～10h，得到MgAl2O4透明陶瓷；
步骤8：低温退火；
将步骤7获得的MgAl2O4透明陶瓷在空气中1100～1200℃退火5～15h，去除陶瓷中残留的C等杂质。
其中，所述MgAl2O4陶瓷粉体为MgAl2O4单相、平均粒径小于200nm、纯度不低于99％，不需高能球磨细化，适合制作透明陶瓷；所述的烧结助剂为LiF，用量为粉体总量的0.2～0.5wt％。
其中，所述有机单体为甲基丙烯酰胺，交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，分散剂为43wt％聚丙烯酸铵水溶液，引发剂为10wt％的过硫酸铵水溶液，催化剂为四甲基乙二胺。
其中，步骤1中，按照有机单体与交联剂的质量比为(10～25):1，称取有机单体与交联剂溶解于去离子水，配制成单体浓度为8～20wt％的溶液，在溶液中加入分散剂，分散剂的加入量为MgAl2O4陶瓷粉体质量的3.4～4.5wt％。
其中，步骤2中，球磨为滚筒球磨，以耐磨氧化铝或氧化锆球为球磨介质，球料比为4:1～6:1，球磨转速为60～90r/min，球磨时间为6～24h。
其中，步骤3中，引发剂和催化剂的加入量为2:1，引发剂质量为MgAl2O4陶瓷粉体质量的0.2～1wt％；所用模具为有机玻璃模具，内表面涂覆石蜡以利于坯体脱模，在室温固化，固化完全后脱模。
其中，步骤4中，所述的干燥分为三步，第一步在室温下，湿度90％，干燥12～24h；第二步在空气中自然干燥48～72h；第三步在恒温干燥箱中以0.1℃/min从室温升温至110℃，在110℃干燥24h。所述的排胶为干燥后的MgAl2O4素坯在马弗炉中，以1℃/min升温至400℃，保温2小时，再以1℃/min升温至650℃，保温10h后控制降温至200℃以下后自然冷却。
其中，步骤5中，冷等静压工艺为将排胶后的MgAl2O4素坯置于冷等静压机中，先以90s匀速升压至200MPa，保压10～30min，然后自然泄压至150MPa，保压1min，再自然泄压至80MPa，保压1min，最后自然泄压至零点。
其中，步骤6中，将冷等静压后的MgAl2O4素坯放入马弗炉中，采用四步烧结法，第一步首先从室温升温至900～950℃，保温0.5～1h，升温速率为5℃/min；第二步升温至1100～1200℃，保温1～2h，升温速率为3℃/min；第三步升温至1350～1550℃，保温10～30h，升温速率为1～2℃/min，最后以5℃/min的速率控制降温到300℃，自然冷却至室温。
其中，步骤7中，将烧结后的MgAl2O4陶瓷块体置于热等静压炉中，先在室温下，向炉腔中充入36MPa压力的氩气，再以10℃/min升温至1200℃，再以5℃/min的速率升温至1500～1600℃，压力随着温度的升高自然膨胀至150～160MPa，保温保压4～10h，然后控制降温至300℃，最后自然冷却至室温；
步骤8中，将热等静压后的MgAl2O4透明陶瓷置于马弗炉中，以5℃/min升温至1100～1200℃，保温5～15h，去除陶瓷中残留的C杂质；
所述氩气纯度不低于99.99％，流速为0.5～5L/min，优选为1.5～4.5L/min。
下面结合具体实施例来详细描述本发明。
实施例1
1)配制预混液：将8g甲基丙烯酰胺(简称MAM)和0.8g的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(简称MBAM)溶解于55ml去离子水中，配成MAM浓度为13.8wt％的溶液，加入43wt％聚丙烯酸铵水溶液(简称PAA-NH4)3.44g为分散剂(分散剂的添加量为待成型MgAl2O4粉体质量的4wt％)，搅拌均匀后用浓氨水将溶液PH值调节至9.8，得到预混液；
2)陶瓷浆料配制：向步骤1)配制的预混液中加入85.5g的MgAl2O4陶瓷粉体与0.425g的LiF烧结助剂，经球磨混合24h后得到固相含量为30vol％的陶瓷浆料；
3)注模成型。将步骤2)所得浆料在真空下，磁力搅拌除气泡，磁力搅拌转子的转速为150r/min，总抽真空时长为1h，直到浆料没有气泡为止；向所得浆料中加入0.4g的10wt％过硫酸铵水溶液(简称APS)为引发剂，0.2g的四甲基乙二胺(简称TMEDA)为催化剂，搅拌均匀后注入有机玻璃模具中，引发单体聚合反应，促使浆料凝胶，然后脱模即得到MgAl2O4陶瓷素坯；
4)干燥及排胶。将步骤3)得到的MgAl2O4陶瓷素坯在室温下，湿度90％，干燥16h，然后在空气中自然干燥60h，最后在恒温干燥箱中以0.1℃/min从30℃升温至110℃，在110℃干燥24h。将干燥后的素坯放入马弗炉中，以1℃/min升温至400℃，保温2小时，再以1℃/min升温至650℃，保温10h后控制降温至200℃以下后自然冷却，得到MgAl2O4透明陶瓷素坯；
5)冷等静压成型。将步骤4)得到的素坯在冷等静压机中以90s匀速升压至200MPa，保压15min，然后自然泄压至150MPa，保压1min，再自然泄压至80MPa，保压1min，最后自然泄压至零点。
6)无压烧结。将步骤5)获得的素坯放入马弗炉中，在空气中分四步无压烧结，第一步以5℃/min的升温速率升温至950℃，保温1h，第二步以3℃/min的升温速率升温至1150℃，保温2h，第三步以1℃/min的升温速率升温至1350℃，保温30h，最后以5℃/min的降温速率降到300℃，自然冷却至室温，获得相对密度为96.2％的MgAl2O4陶瓷块体；
7)热等静压后处理。将步骤6)获得的陶瓷块体，置于热等静压炉中，在室温下，向炉腔中充入36MPa压力的氩气，以10℃/min升温至1200℃，再以5℃/min的速率升温至1500℃，压力随着温度的升高自然膨胀至150MPa，保温保压10h，以10℃/min的速率降温至300℃，最后自然冷却至室温，得到MgAl2O4透明陶瓷；
8)低温退火。将步骤7)获得的MgAl2O4透明陶瓷在空气中1200℃退火5h，去除陶瓷中残留的C等杂质。
将退火后的直径为80mm的MgAl2O4透明陶瓷双面抛光至4mm厚如图1，测得其相对密度为99.9％通过紫外可见近红外分光光度计和傅里叶红外光谱仪测得其直线透过率如图5，在1064nm波长处的透过率为81.2％，在3-5μm波段的平均透过率达到83％，并且光学均匀性良好，图2为其断面的SEM照片，测得其平均晶粒尺寸为5μm，测得其维氏硬度为14.2GPa，从试样中切割出36mm×3mm×4mm的长方体样条，经INSTRON-5566万能材料试验机测得其平均弯曲强度为254MPa。
实施例2
1)配制预混液：将5g甲基丙烯酰胺(简称MAM)和0.5g的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(简称MBAM)溶解于30ml去离子水中，配成MAM浓度为14.3wt％的溶液，加入43wt％聚丙烯酸铵水溶液(简称PAA-NH4)1.68g为分散剂(分散剂的添加量为待成型MgAl2O4粉体质量的3.4wt％)，搅拌均匀后用浓氨水将溶液PH值调节至9.8，得到预混液；
2)陶瓷浆料配制：向步骤1)配制的预混液中加入48g的MgAl2O4陶瓷粉体与0.24g的LiF烧结助剂，经球磨混合后得到固相含量为31vol％的陶瓷浆料；
3)注模成型。将步骤2)所得浆料在真空下，磁力搅拌除气泡，磁力搅拌转子的转速为200r/min，总抽真空时长为0.5h，直到浆料没有气泡为止；向所得浆料中加入0.16g的10wt％APS水溶液为引发剂，0.08g的TMEDA为催化剂，搅拌后注入模具中，引发单体聚合反应，促使浆料凝胶，然后脱模即得到MgAl2O4陶瓷素坯；
4)干燥及排胶。将步骤3)得到的MgAl2O4陶瓷素坯在室温下，湿度90％，干燥12h，然后在空气中自然干燥48h，最后在恒温干燥箱中以0.1℃/min从30℃升温至110℃，在110℃干燥24h。将干燥后的素坯放入马弗炉中，以1℃/min升温至400℃，保温2小时，再以1℃/min升温至650℃，保温10h后控制降温至200℃以下后自然冷却，得到MgAl2O4透明陶瓷素坯；
5)冷等静压成型。将步骤4)得到的素坯在冷等静压机中以90s匀速升压至200MPa，保压15min，然后自然泄压至150MPa，保压1min，再自然泄压至80MPa，保压1min，最后自然泄压至零点；
6)无压烧结。将步骤5)获得的素坯放入马弗炉中，在空气中分四步无压烧结，第一步以5℃/min的升温速率升温至950℃，保温0.5h，第二步以3℃/min的升温速率升温至1100℃，保温2h，第三步以1℃/min的升温速率升温至1450℃，保温20h，最后以5℃/min的降温速率降到300℃，自然冷却至室温，获得相对密度为97％的MgAl2O4陶瓷块体；
7)热等静压后处理。将步骤6)获得的陶瓷块体，置于热等静压炉中，在室温下，向炉腔中充入36MPa压力的氩气，以10℃/min升温至1200℃，再以5℃/min的速率升温至1550℃，压力随着温度的升高自然膨胀至156MPa，保温保压6h，以10℃/min的速率降温至300℃，最后自然冷却至室温，得到MgAl2O4透明陶瓷；
8)低温退火。将步骤7)获得的MgAl2O4透明陶瓷在空气中1200℃退火5h，去除陶瓷中残留的C等杂质。
将退火后的MgAl2O4透明陶瓷双面抛光至4mm厚，测得其相对密度为99.92％通过紫外可见近红外分光光度计和傅里叶红外光谱仪测得其直线透过率，在1064nm波长处的透过率为81.5％，在3-5μm波段的平均透过率达到84％，并且光学均匀性良好，图3为其断面的SEM照片，测得其平均晶粒尺寸为8μm，测得其维氏硬度为14GPa，从试样中切割出36mm×3mm×4mm的长方体样条，经INSTRON-5566万能材料试验机测得其平均弯曲强度为248MPa。
实施例3
1)配制预混液：将7g甲基丙烯酰胺(简称MAM)和0.28g的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(简称MBAM)溶解于45ml去离子水中，配成MAM浓度为13.5wt％的溶液，加入43wt％聚丙烯酸铵水溶液(简称PAA-NH4)2.37g为分散剂(分散剂的添加量为待成型MgAl2O4粉体质量的3.84wt％)，搅拌均匀后用浓氨水将溶液PH值调节至9.8，得到预混液；
2)陶瓷浆料配制：向步骤1)配制的预混液中加入62g的MgAl2O4陶瓷粉体与0.12g的LiF烧结助剂，经球磨混合24h后得到固相含量为28vol％的陶瓷浆料；
3)注模成型。将步骤2)所得浆料在真空下，磁力搅拌除气泡，磁力搅拌转子的转速为250r/min，总抽真空时长为2h，直到浆料没有气泡为止；向所得浆料中加入0.2g的10wt％APS水溶液为引发剂，0.1g的TMEDA为催化剂，搅拌均匀后注入有机玻璃模具中，引发单体聚合反应，促使浆料凝胶，固化后脱模即得到MgAl2O4陶瓷素坯；
4)干燥及排胶。将步骤3)得到的MgAl2O44陶瓷素坯在室温下，湿度90％，干燥24h，然后在空气中自然干燥72h，最后在恒温干燥箱中以0.1℃/min从30℃升温至110℃，在110℃干燥24h。将干燥后的素坯放入马弗炉中，以1℃/min升温至400℃，保温2小时，再以1℃/min升温至650℃，保温10h后控制降温至200℃以下后自然冷却，得到MgAl2O4透明陶瓷素坯；
5)冷等静压成型。将步骤4)得到的素坯在冷等静压机中以90s匀速升压至200MPa，保压30min，然后自然泄压至150MPa，保压1min，再自然泄压至80MPa，保压1min，最后自然泄压至零点；
6)无压烧结。将步骤5)获得的素坯放入马弗炉中，在空气中无压烧结，第一步以5℃/min的升温速率升温至900℃，保温0.5h，第二步以3℃/min的升温速率升温至1100℃，保温2h，第三步以1℃/min的升温速率升温至1550℃，保温10h，再以5℃/min的降温速率降到300℃，自然冷却至室温，获得相对密度为97.8％的MgAl2O4陶瓷块体；
7)热等静压后处理。将步骤6)获得的陶瓷块体，置于钨坩埚中，放入热等静压炉中，在室温下，向炉腔中充入36MPa压力的氩气，以10℃/min的速率升温至1200℃，再以5℃/min的速率升温至1600℃，压力随着温度的升高自然膨胀至160MPa，保温保压4h，以10℃/min的速率降温至300℃，最后自然冷却至室温，得到MgAl2O4透明陶瓷；
8)低温退火。将步骤7)获得的MgAl2O4透明陶瓷在空气中1200℃退火5h，去除陶瓷中残留的C等杂质。
将退火后的MgAl2O4透明陶瓷双面抛光至4mm厚，测得其相对密度为99.95％，通过紫外可见近红外分光光度计和傅里叶红外光谱仪测得其直线透过率如图4，在1064nm波长的透过率为82％，在3-5μm波段的平均透过率达到85％，并且光学均匀性良好，图6为其断面的SEM照片，测得其平均晶粒尺寸为12μm，测得其维氏硬度为14GPa，从试样中切割出36mm×3mm×4mm的长方体样条，经INSTRON-5566万能材料试验机测得其平均弯曲强度为242MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：配制预混液；
将有机单体，交联剂，分散剂与去离子水混合，搅拌均匀后，用浓氨水调节溶液PH值为8～11，得到预混液；
步骤2：陶瓷浆料配制；
向步骤1配制的预混液中加入MgAl2O4陶瓷粉体与烧结助剂，经球磨混合后得到固相含量为27～35vol％的陶瓷浆料；
步骤3：注模成型；
将步骤2所得浆料在真空下，磁力搅拌除气泡；向所得浆料中加入引发剂和催化剂，搅拌后注入模具中，引发单体聚合反应，促使浆料凝胶，然后脱模即得到MgAl2O4陶瓷素坯；
步骤4：干燥及排胶；
将步骤3得到的MgAl2O4陶瓷素坯干燥，然后在空气中高温排胶，控制降温至200℃以下后自然冷却，得到MgAl2O4透明陶瓷素坯；
步骤5：冷等静压成型；
将步骤4得到的素坯在冷等静压机中于200MPa下冷等静压处理，进一步提高素坯的相对密度，得到最终的素坯；
步骤6：无压烧结；
将步骤5获得的素坯，在空气中1350～1550℃温度下无压烧结10～30h，得到MgAl2O4陶瓷块体；
步骤7：热等静压后处理；
将步骤6获得的陶瓷块体，置于热等静压炉内，在Ar气氛下，在1500～1600℃温度下，150～160MPa压力下，保温保压4～10h，得到MgAl2O4透明陶瓷；
步骤8：低温退火；
将步骤7获得的MgAl2O4透明陶瓷在空气中1100～1200℃退火5～15h，去除陶瓷中残留的C杂质。
2.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，所述MgAl2O4陶瓷粉体为MgAl2O4单相、平均粒径小于200nm、纯度不低于99％，不需高能球磨细化，适合制作透明陶瓷；所述的烧结助剂为LiF，用量为粉体总量的0.2～0.5wt％。
3.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，所述有机单体为甲基丙烯酰胺，交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，分散剂为43wt％聚丙烯酸铵水溶液，引发剂为10wt％的过硫酸铵水溶液，催化剂为四甲基乙二胺。
4.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤1中，按照有机单体与交联剂的质量比为(10～25):1，称取有机单体与交联剂溶解于去离子水，配制成单体浓度为8～20wt％的溶液，在溶液中加入分散剂，分散剂的加入量为MgAl2O4陶瓷粉体质量的3.4～4.5wt％。
5.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤2中，球磨为滚筒球磨，以耐磨氧化铝或氧化锆球为球磨介质，球料比为4:1～6:1，球磨转速为60～90r/min，球磨时间为6～24h。
6.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤3中，引发剂和催化剂的加入量为2:1，引发剂质量为MgAl2O4陶瓷粉体质量的0.2～1wt％；所用模具为有机玻璃模具，内表面涂覆石蜡以利于坯体脱模，在室温固化，固化完全后脱模。
7.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述的干燥分为三步，第一步在室温下，湿度90％，干燥12～24h；第二步在空气中自然干燥48～72h；第三步在恒温干燥箱中以0.1℃/min从室温升温至110℃，在110℃干燥24h。所述的排胶为干燥后的MgAl2O4素坯在马弗炉中，以1℃/min升温至400℃，保温2小时，再以1℃/min升温至650℃，保温10h后控制降温至200℃以下后自然冷却。
8.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤5中，冷等静压工艺为将排胶后的MgAl2O4素坯置于冷等静压机中，先以90s匀速升压至200MPa，保压10～30min，然后自然泄压至150MPa，保压1min，再自然泄压至80MPa，保压1min，最后自然泄压至零点。
9.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤6中，将冷等静压后的MgAl2O4素坯放入马弗炉中，采用四步烧结法，第一步首先从室温升温至900～950℃，保温0.5～1h，升温速率为5℃/min；第二步升温至1100～1200℃，保温1～2h，升温速率为3℃/min；第三步升温至1350～1550℃，保温10～30h，升温速率为1～2℃/min，最后以5℃/min的速率控制降温到300℃，自然冷却至室温。
10.如权利要求1所述的细晶宽频镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤7中，将烧结后的MgAl2O4陶瓷块体置于热等静压炉中，先在室温下，向炉腔中充入36MPa压力的氩气，再以10℃/min升温至1200℃，再以5℃/min的速率升温至1500～1600℃，压力随着温度的升高自然膨胀至150～160MPa，保温保压4～10h，然后控制降温至300℃，最后自然冷却至室温；
步骤8中，将热等静压后的MgAl2O4透明陶瓷置于马弗炉中，以5℃/min升温至1100～1200℃，保温5～15h，去除陶瓷中残留的C杂质；
所述氩气纯度不低于99.99％，流速为0.5～5L/min。
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