CN110183223A - 一种透明陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透明陶瓷的制备方法，先将要获得的透明陶瓷粉料和烧结助剂采用行星球磨工艺充分混合，球磨预定时间后干燥，干燥后的粉料破碎过筛，再依次进行预压成型、冷等静压处理、高温烧结以及研磨/抛光步骤，制备得到透明陶瓷样品。本发明的透明陶瓷的制备方法，采用复合烧结助剂有效地促进了陶瓷的烧结进程，降低了烧结温度，提高了透明陶瓷的透光性。

Description

一种透明陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，更具体的说涉及一种透明陶瓷的制备方法。
背景技术
透明陶瓷在传统领域的应用包括固态激光、红外窗口、装甲玻璃等，今年来透明陶瓷逐渐地出现了新的应用，例如固态照明、手机屏、装饰品等。随着其应用范围的不断扩大以及人们对其需求的增加，越来越要求其低成本、易操作、大批量生产。
从理论上讲，透明陶瓷的基质材料首先必须是较高对称性的晶体结构，以立方晶向结构为最佳，四方晶向结构和六方晶向结构也可以，因为它们没有或者只有很弱的双折射问题。另外，烧结后的透明陶瓷材料必须具有接近100％的致密度，或者说气孔率小于0.01％，才能保证足够高的透明度，同时不能含有杂质或第二相。因此，透明陶瓷的选材范围相对较窄，而且制备工艺的要求较高。因此，目前的透明陶瓷制备工艺主要强调粉体的制备，只有粉体的质量达到一定的要求，才有较好的烧结性能，保证陶瓷的完全致密化。很多湿化学方法被用于制备透明陶瓷及透明陶瓷的粉体，其中化学共沉淀法的应用最为广泛，因为与其它方法相比，化学共沉淀法相对来说过程比较简单，原料容易获得，因而成本较低。但是，由于化学共沉淀工艺涉及到可溶性前驱体(氯化物或硝酸盐等)，制备过程中会产生氯离子及硝酸根离子等污染物，使得工艺不具备环保要求。同时，整个制备过程和清洗过程需要使用大量的高纯水，使得工艺过程复杂而漫长，额外加大了生产成本。
针对现有技术透明陶瓷粉体制备存在的问题，本发明采用多重烧结助剂技术大大促进粉料的烧结技术，从而避开化学法制备粉料的过程，使得透明陶瓷的制备及生产与典型的陶瓷工艺兼容，因此更适合于工业化生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种与典型的陶瓷工艺兼容、更适合于工业化生产的透明陶瓷的制备方法。
为实现以上目的，本发明采用如下的技术方案：
一种透明陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将氧化物粉料与烧结助剂按一定重量百分比一起置于球磨罐中，同时加入适量的去离子水或无水乙醇，用行星球磨机在室温下连续球磨2-12小时；
S2：球磨结束后将浆料置于烘箱中静置烘干；
S3：烘干后的样品进行破碎，然后过200-400目筛；
S4：对所得粉料依次进行预压成型、冷等静压处理、高温烧结；
S5：烧结后的烧结物进行研磨和抛光处理得到透明陶瓷。
在一个优选的实施方案中，所述步骤S1中所述的氧化物粉料选自Y2O3、Al2O3、Sc2O3、Lu2O3中的任一种或组合或含有前述至少两种氧化物元素的复合物。
在一个优选的实施方案中，所述步骤S1中所述的烧结助剂选自MgO、ZrO2、LiF、SiO2中的任意两种或以上。
在一个优选的实施方案中，所述步骤S1中所述的氧化物粉料与烧结助剂重量百分比为1：0.001-5％。
在一个优选的实施方案中，所述步骤S1中所述的氧化物粉料与所述球磨机的磨球的重量比为1:5-1:20。
在一个优选的实施方案中，所述的步骤S2中静置烘干工艺条件为：静置烘干4-24小时，烘箱温度设置为60-90℃。
在一个优选的实施方案中，所述的步骤S4中的冷等静压处理的工艺条件为：压强为100-400MPa。
在一个更优选的实施方案中，所述的步骤S4中的高温烧结步骤采用真空烧结技术，工艺条件为：真空度为10-2-10-5Pa，烧结温度为1500-1900℃，烧结时间为2-24h。或者，所述的步骤S4中的高温烧结采用气氛烧结，工艺条件为：氢气气氛、氮气气氛、氧气气氛或氩气气氛，烧结温度为1500-1900℃，烧结时间为2-24h。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明方法充分利用多种烧结助剂的协同作用，从而提高粉体的烧结进程，降低烧结温度，缩短烧结时间，同时保证烧结体具有很高的光学性能。
(2)本发明所制备的透明陶瓷均可达到理论光学透过率的95％以上。经过实验证明，利用本发明方法制备得到的厚度为1mm左右的透明陶瓷，其在可见光区的直线透过率约为75％。
(3)本发明方法的制备过程操作简单、原料成本低廉、不涉及化学反应、不产生污水污物，因此容易实现大批量工业化生产，所获得的透明陶瓷在可见/近红外/中红外的范围具有很高的透过率，可用在光学系统和高强度放电照明系统中。
附图说明
图1是本发明的透明陶瓷的制备方法流程示意图。
图2是本发明实施例1的制备方法制备得到的钇铝石榴石透明陶瓷的样品照片。
具体实施方式
下面结合更具体的实施方式对本发明做进一步展开说明，但需要指出的是，本发明的一种透明陶瓷及其制备方法并不限于这种特定的形式或步骤。对于本领域技术人员显然可以理解的是，以下的说明内容即使不做任何调整或修正，也可以直接适用于在此未指明的其他类似化合物或制备方法。
如图1所示，本发明的透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氧化物粉料与烧结助剂按一定重量百分比一起置于球磨罐中，同时加入适量的去离子水或无水乙醇，用行星球磨机在室温下连续球磨2-12小时；
其中，氧化物粉料可以是Y2O3、Al2O3、Sc2O3、Lu2O3中的任一种组合，优选为两两组合或三种以上的组合物，该组合物可以是两种氧化物的组合物，还可以是含有该两种氧化物成分的复合物，例如钇铝石榴石(Y3Al5O12)粉料，其本身就含有Y2O3和Al2O3两种氧化物元素成分，这种类似的复合氧化物粉料也应在本发明的保护范围之内。
其中，烧结助剂选自MgO、ZrO2、LiF、SiO2中的任意两种或两种以上的组合，优选为MgO、ZrO2、LiF、SiO2中任意两种的组合，例如包括但不限于SiO2和LiF、MgO和LiF、MgO和ZrO2、SiO2、LiF和ZrO2等等，本领域所述技术人员应理解的是，均应在本发明的保护范围之内。本发明充分利用多种烧结助剂的协同作用，从而提高粉体的烧结进程，降低烧结温度，缩短烧结时间，同时保证烧结体具有很高的光学性能。
其中，氧化物粉料与烧结助剂重量百分比为1：0.001-5％，优选为1:0.1-4％，更优选为1:0.5-2％。所述的氧化物粉料与所述球磨机的磨球的重量比为1:5-1:20，优选为1:8-1:15，更优选为1:10-1:12，所述球磨机的磨球为常规磨球，例如氧化铝磨球等。
其中，在混合球磨过程中同时加入适量的去离子水或无水乙醇，用量以将粉料和磨球刚好淹没为准，用行星球磨机在室温下连续球磨2-12小时，也可以采用本领域常用的其他球磨技术，或适当延长球磨时间，本领域技术人员应该理解的是，也应在本发明的保护范围之内。
S2：将S1步骤球磨得到的浆料置于烘箱中静置烘干，静置烘干工艺条件为：静置烘干4-24小时，烘箱温度设置为60-90℃。
S3：将S2步骤烘干后的样品进行破碎，然后过200-400目筛。
其中，破碎及筛分均可利用本领域常规的现有技术实现，可根据结块程度采用相应的破碎方法，例如挤压、研磨等。同时，筛分是为了得到所需颗粒度的粉体，以便后续的加工成型，以及所需的致密度和气孔率等。
S4：对S3步骤所制得粉料依次进行预压成型、冷等静压处理、高温烧结。
其中，预压成型、冷等静压处理、高温烧结三个工艺均可以采用本领域常规的技术或设备实现；例如过筛后的粉体采用干压成型，过程中需要添加适量的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂确保成型效果；成型采用的压力需根据粉体的组成及性质进行相应的调整，以保证成型体中没有因压力不合适而引起的微观结构上的缺陷；因为这样的缺陷一旦形成将无法在后续的烧结过程中消除；保证干压成型后的坯体相对密度为50-55％范围内。
其中，冷等静压处理的工艺条件为压强100-400MPa，优选150-300MPa，更优选200-250MPa，使得处理后样品的相对密度为60-65％范围内。
其中，高温烧结步骤可以采用真空烧结技术，也可以采用气氛烧结。当采用真空烧结技术时，工艺条件为：真空度为10-2～10-5Pa，烧结温度为1500-1900℃，烧结时间为2-24h；当采用气氛烧结技术时，工艺条件为：氢气气氛、氮气气氛、氧气气氛或氩气气氛，烧结温度为1500-1900℃，烧结时间为2-24h。在烧结过程中适当控制升温和降温速率即可，没有特殊的要求。
S5：步骤S4烧结后的烧结物进行研磨和抛光处理即得到本发明的透明陶瓷。
下面通过具体的实施例进一步说明本发明的透明陶瓷的制备方法。
实施例1
S1：向10kg的钇铝石榴石(Y3Al5O12)粉料中加入0.05kg的LiF及0.05kg的SiO2作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得前述粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:20，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨机进行粉料球磨，球磨机的转速为200转/分钟，球磨时间为12h。
S2：球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃器皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为90℃，干燥时间为2h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型，干压成型后的坯体相对密度为52％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为240MPa；处理后样品的相对密度为63％。
对冷等静压处理后的坯体进行正常的高温真空烧结，真空烧结的工艺条件为：真空度10-3Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
图2给出了实施例1的制备方法获得的钇铝石榴石透明陶瓷经研磨和抛光处理后得到的1mm左右厚的样品照片。如图2所示，当1mm厚的抛光样品置于有文字的纸上时，可透过抛光样品清晰地看出纸上英文字母，而且清晰度很高。其它实施例制备方法获得的透明陶瓷样品拥有相近的透光度，说明本发明的制备技术具有相当高的一致性，为批量化生产提供了充分发保证。
实施例2
S1：向1kg钇铝石榴石(Y3Al5O12)粉料中加入0.01kg的LiF和0.01kg的MgO作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:15，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨机进行粉料球磨，球磨机的转速为180转/分钟，球磨时间为10h。
S2：球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃培养皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为90℃，时间为4h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型，干压成型后的坯体相对密度为54％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为220MPa；处理后样品的相对密度为64％。
对冷等静压处理后的坯体进行高温真空烧结，高温真空烧结工艺条件为：真空度5Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
实施例3
S1：:向1kg钇铝石榴石(Y3Al5O12)粉料中加入0.01kg的MgO及0.005kg的ZrO2作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:10，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨机进行粉料球磨，球磨机的转速为150转/分钟，球磨时间为8h。
S2：球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃培养皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为85℃，时间为6h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型，干压成型后的坯体相对密度为54％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为200MPa；处理后样品的相对密度为63％。
对冷等静压处理后的坯体进行高温真空烧结，高温真空烧结的工艺条件为：真空度6Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
实施例4
S1：向1kgY2O3和Al2O3的混合粉料(Y2O3:Al2O3＝3:5)中加入0.0021kg的LiF及0.0016kg的SiO2作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:8，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨及进行粉料球磨，球磨机的转速为120转/分钟，球磨时间为8h。
S2：球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃培养皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为65℃，时间为23h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型，干压成型后的坯体相对密度为54％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为180MPa；处理后样品的相对密度为64％。
对冷等静压处理后的坯体进行高温真空烧结，高温真空烧结的工艺条件为：真空度6Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
实施例5
S1：向1kgY2O3和Al2O3的混合粉料(Y2O3:Al2O3＝3:5)中加入0.0018kg的LiF及0.0016kg的MgO作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:12，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨及进行粉料球磨，球磨机的转速为60转/分钟，球磨时间为4h。
S2：球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃培养皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为60℃，时间为24h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型，干压成型后的坯体相对密度为53％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为160MPa；处理后样品的相对密度为63％。
对冷等静压处理后的坯体进行高温真空烧结，工艺条件为：真空度3Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
实施例6
S1：向1kg的Y2O3和Al2O3的混合粉料(Y2O3:Al2O3＝3:5)中加入0.0012kg的MgO及0.0021kg的ZrO2作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:5，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨及进行粉料球磨，球磨机的转速为100转/分钟，球磨时间为8h。
S2：球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃培养皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为:70℃，时间为18h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型，干压成型后的坯体相对密度为52％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为200MPa；处理后样品的相对密度为62％。
对冷等静压处理后的坯体进行高温真空烧结，工艺条件为：真空度9Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
实施例7
S1：向1kg的Sc2O3和Lu2O3粉料(Sc2O3：Lu2O3＝4:6)中加入0.0021kg的LiF及0.0017kg的SiO2作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:12，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨及进行粉料球磨，球磨机的转速为95转/分钟，球磨时间为8h。
S2：球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃培养皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为:75℃，时间为20h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型，干压成型后的坯体相对密度为55％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为190MPa；处理后样品的相对密度为64％。
对冷等静压处理后的坯体进行高温真空烧结，工艺条件为：真空度6Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
实施例8
S1：向1kg的Sc2O3和Lu2O3粉料(Sc2O3：Lu2O3＝7:3)中加入0.002kg的LiF(0.001-2.5％)及0.0023kg的MgO作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:15，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨及进行粉料球磨，球磨机的转速为120转/分钟，球磨时间为8h。
S2：球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃培养皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为:80℃，时间为10h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型，干压成型后的坯体相对密度为54％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为200MPa；处理后样品的相对密度为63％。
对冷等静压处理后的坯体进行高温真空烧结，工艺条件为真空度7Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
实施例9
S1：向1kg的Sc2O3和Lu2O3粉料(Sc2O3：Lu2O3＝3:5)中加入0.0015kg的MgO及0.0007kg的ZrO2作为烧结助剂，将所到的混合物置入尼龙球磨罐，同时放入氧化铝磨球及去离子水；使得粉料混合物与氧化铝磨球的重量比为1:18，所加入的去离子水量为刚好将粉料和磨球淹没；采用行星球磨及进行粉料球磨，球磨机的转速为160转/分钟，球磨时间为8h。
S2:球磨结束后，将球磨浆料转移至尺寸大小适当的玻璃培养皿中，并放置到干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为75℃，时间为18h。
S3：干燥后的粉体存在结块现象，需要破碎；根据结块程度采用相应的破碎方法；破碎的粉体再过200-400目筛。
S4：过筛后的粉体采用干压成型干压成型后的坯体相对密度为54％。
对干压成型的坯体进行冷等静压处理，冷等静压成型的压强为190MPa；处理后样品的相对密度为63％。
对冷等静压处理后的坯体进行高温真空烧结，工艺条件为：真空度7Pa，烧结温度为1760℃，烧结时间13h。
S5：再对高温无压烧结后得到的烧结物进行机械加工，即包括研磨和抛光，最终获得钇铝石榴石透明陶瓷。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种透明陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将氧化物粉料与烧结助剂按一定重量百分比一起置于球磨罐中，同时加入适量的去离子水或无水乙醇，用行星球磨机在室温下连续球磨2-12小时；
S2：球磨结束后将浆料置于烘箱中静置烘干；
S3：烘干后的样品进行破碎，然后过200-400目筛；
S4：对所得粉料依次进行预压成型、冷等静压处理、高温烧结；
S5：烧结后的烧结物进行研磨和抛光处理得到透明陶瓷。
2.根据权利要求1所述的透明陶瓷的制备方法，其特征在于所述步骤S1中所述的氧化物粉料选自Y2O3、Al2O3、Sc2O3、Lu2O3中的任一种或组合或含有前述至少两种氧化物元素的复合物。
3.根据权利要求1所述的透明陶瓷的制备方法，其特征在于所述的步骤S1中所述的烧结助剂选自MgO、ZrO2、LiF、SiO2中的任意两种或以上。
4.根据权利要求1所述的透明陶瓷的制备方法，其特征在于所述步骤S1中所述的氧化物粉料与烧结助剂重量百分比为1：0.001-5％。
5.根据权利要求1所述的透明陶瓷的制备方法，其特征在于所述步骤S1中所述的氧化物粉料与所述球磨机的磨球的重量比为1:5-1:20。
6.根据权利要求1所述的透明陶瓷的制备方法，其特征在于所述的步骤S2中静置烘干工艺条件为：静置烘干4-24小时，烘箱温度设置为60-90℃。
7.根据权利要求1所述的彩色透明陶瓷的制备方法，其特征在于所述的步骤S4中的冷等静压处理的工艺条件为：压强为100-400 MPa。
8.根据权利要求1或7所述的透明陶瓷的制备方法，其特征在于所述的步骤S4中的高温烧结步骤采用真空烧结技术，工艺条件为：真空度为10-2-10-5 Pa，烧结温度为1500-1900℃，烧结时间为2-24h。
9.根据权利要求1或7所述的透明陶瓷的制备方法，其特征在于所述的步骤S4中的高温烧结采用气氛烧结，工艺条件为：氢气气氛、氮气气氛、氧气气氛或氩气气氛，烧结温度为1500-1900℃，烧结时间为2-24h。
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