CN111235629A - 一种氧化铝-yag共晶熔体生长复合材料的制备方法 - Google Patents

一种氧化铝-yag共晶熔体生长复合材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111235629A
CN111235629A CN202010157003.1A CN202010157003A CN111235629A CN 111235629 A CN111235629 A CN 111235629A CN 202010157003 A CN202010157003 A CN 202010157003A CN 111235629 A CN111235629 A CN 111235629A
Authority
CN
China
Prior art keywords
seed crystal
composite material
powder
crucible
melt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010157003.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111235629B (zh
Inventor
苏海军
刘园
赵迪
申仲琳
刘海方
张军
郭敏
刘林
傅恒志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Shenzhen Institute of Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Shenzhen Institute of Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University, Shenzhen Institute of Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202010157003.1A priority Critical patent/CN111235629B/zh
Publication of CN111235629A publication Critical patent/CN111235629A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111235629B publication Critical patent/CN111235629B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B21/00—Unidirectional solidification of eutectic materials
    • C30B21/06—Unidirectional solidification of eutectic materials by pulling from a melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/20—Aluminium oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明涉及氧化物陶瓷领域，提供了一种Al2O3‑YAG共晶熔体生长复合材料的制备方法。本发明通过对引晶温度、提拉速率以及转速的控制，使预制体熔体内各项对流趋于稳定，在籽晶与预制体熔体接触处形成一定的过冷度，实现结晶原子在固液界面处的有序排列；随着结晶过程连续进行，使得不断地有新的晶体从熔体中长出，通过籽晶提拉，预制体熔体中的原子在籽晶下端有序排列，Al2O3和YAG两相均能形成稳定单一取向晶体(单晶)，实现定向凝固。本发明提供的方法能够得到无气孔、表面光滑致密、相分布均匀、相对密度和织构化程度高的Al2O3‑YAG共晶熔体生长复合材料；而且本发明提供的方法生长得到共晶材料尺寸较大。

Description

一种氧化铝-YAG共晶熔体生长复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及氧化物陶瓷领域，尤其涉及一种氧化铝-YAG共晶熔体生长复合材料的制备方法。
背景技术
继氮化物、碳化物、硼化物和碳/碳陶瓷基高温热结构材料后，Al2O3-YAG共晶陶瓷以其天然杰出的高温抗氧化能力、接近其熔点温度下优异的弯曲强度性能、抗氧化性能和抗蠕变性能而进入人们的视野。传统的Al2O3-YAG陶瓷主要采用粉末烧结方法制备，然而这种方法通常无法获得单晶组成相，制备得到的多为多晶组织，而多晶组织的粉末颗粒之间以及各组成相之间存在着弱的连接界面和大量空隙，大大降低了氧化物陶瓷在高温高应力下的材料结构性能。
目前制备Al2O3/YAG共晶晶体的方法主要有布里奇曼法、水平定向凝固(HDS)法、激光悬浮区熔法、薄膜进给生长(EFG)法、光学浮区法等，但是上述方法难以制备大尺寸的Al2O3/YAG共晶陶瓷样品，且难以制备Al2O3/YAG共晶单晶相晶体。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的制备方法，本发明提供的方法能够制备得到大尺寸的Al2O3-YAG共晶陶瓷，同时还能得到具有择优取向的高织构Al2O3-YAG共晶单晶相。
本发明提供了一种Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Al2O3粉末和Y2O3粉末在粘结剂和醇类溶剂存在的条件下进行球磨后干燥，得到混合粉体；
(2)将所述混合粉体依次进行压制和烧结处理后冷却，得到预制体；
(3)在温场中，采用旋转提拉法将籽晶浸入预制体熔体中，然后依次经引晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾，得到Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料；
所述引晶的温度为1770～1780℃，提拉速度为0.1～5mm/h，转速为5～25r/min。
优选的，所述步骤(3)中温场的温度为1770～1780℃，温场内部填充氩气，所述氩气的气压为0～0.1MPa。
优选的，所述步骤(3)中温场的布置方式为：
所述温场中的部件包括感应线圈，所述感应线圈内有下保温桶，所述下保温桶内有坩埚，所述坩埚顶部有坩埚环；所述坩埚环中心、下保温桶中心以及籽晶杆中心在同一直线上；
所述下保温桶顶部有上保温桶，所述上保温桶顶部有保温盖；
所述籽晶杆穿过上保温桶内部，籽晶杆的底部为铱金销；所述籽晶通过铱金销固定在籽晶杆上；
所述坩埚低于感应线圈顶部1～3cm；
所述上保温桶高度为25cm。
优选的，所述步骤(1)中Al2O3和Y2O3的摩尔比为80～82:18～20。
优选的，所述步骤(1)中Al2O3粉末和Y2O3粉末的粒径独立地为1～2μm。
优选的，所述步骤(1)中的粘结剂为聚乙烯醇水溶液，所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇和水的用量比为1g:18～22mL；
所述醇类溶剂包括无水乙醇；所述粘结剂和醇类溶剂的体积比为1:2～5；所述Al2O3粉末和Y2O3粉末的总质量与粘结剂的体积比为5g:1～3mL。
优选的，所述步骤(1)中球磨的球料比为2:1～3:1，所述球磨转速为500～600r/min；所述球磨时间为5～8h。
优选的，所述步骤(2)压制的单轴压力为190MPa，保压时间为5min；所述步骤(2)烧结处理的温度为500℃，升温至烧结处理温度的升温速率为10℃/min，在烧结处理温度保温的时间为3h。
优选的，所述籽晶为Al2O3籽晶。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料，所述Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料为共晶单晶相，所述Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的直径为20～50mm，长度为10～150mm。
本发明提供了一种Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的制备方法，本发明通过将籽晶浸入预制体熔体中，当部分籽晶熔化后缓慢向上提拉并旋转籽晶，随着籽晶的缓慢上拉以及对引晶温度、提拉速率以及转速的控制，使预制体熔体内各项对流趋于稳定，在籽晶与预制体熔体接触处形成一定的过冷度，实现结晶原子在固液界面处的有序排列；随着结晶过程连续进行，使得不断地有新的晶体从熔体中长出，通过籽晶提拉，预制体熔体中的原子在籽晶下端有序排列，Al2O3和YAG两相均能形成稳定单一取向晶体(单晶)，实现定向凝固。而且本发明在整个生长期间晶体不与坩埚接触，消除了传统定向凝固技术制备过程中坩埚与定向凝固晶体相互接触，避免了因热膨胀系数不匹配造成的热弹性应力，可能导致晶体开裂以及坩埚壁寄生成核的问题。本发明提供的方法能够得到无气孔、表面光滑致密、相分布均匀、相对密度和织构化程度高的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料；而且本发明提供的方法生长得到共晶材料尺寸较大。实施例结果表明，本发明得到的共晶材料尺寸直径达50mm，长度达90mm。
附图说明
图1为本发明制备Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的烧结曲线；
图2为本发明实施例1步骤(2)得到的预制体；
图3为本发明实施例1步骤(3)旋转提拉法采用的装置图；其中，1-炉门；2-提拉系统；3-观察镜；4-籽晶杆；5-半圆环片保温盖；6-籽晶；7-透明石英玻璃片；8-坩埚盖；9-下保温桶；10-预制体熔体；11-Al2O3支架桶；12-减震架；13-循环水；14-铱金销；15-上保温桶；16-感应线圈；17-铱金坩埚；18-锆砂；
图4为本发明制备Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料采用的旋转提拉法流程图；
图5为本发明实施例1制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料照片；
图6为本发明实施例2制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料照片；
图7为本发明实施例2制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的XRD图；
图8为本发明实施例3制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的扫描电镜图；
图9为本发明实施例2制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料距离籽晶不同长度处横截面电子背散射衍射结果。
具体实施方式
本发明提供了一种Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Al2O3粉末和Y2O3粉末在粘结剂和醇类溶剂存在的条件下进行球磨后干燥，得到混合粉体；
(2)将所述混合粉体依次进行压制和烧结处理后冷却，得到预制体；
(3)在温场中，采用旋转提拉法将籽晶浸入预制体熔体中，然后依次经引晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾，得到Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料；
所述引晶的温度为1770～1780℃，提拉速度为0.1～5mm/h，转速为5～25r/min。
本发明将Al2O3粉末和Y2O3粉末在粘结剂和醇类溶剂存在的条件下进行球磨后干燥，得到混合粉体。
在本发明中，所述Al2O3粉末的粒径优选为1～2μm；所述Y2O3粉末的粒径优选为1～2μm；所述Al2O3粉末和Y2O3粉末的纯度优选独立地≥99.99％。在本发明中，所述Al2O3和Y2O3的摩尔比优选为80～82:18～20，更优选为80:20、81:19或82:18。在本发明中，所述粘结剂优选为聚乙烯醇水溶液，所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇和水的用量比优选为1g:18～22mL，更优选为1g:20mL。在本发明中，所述醇类溶剂优选为无水乙醇；所述粘结剂和醇类溶剂的体积比优选为1:2～5，更优选为1:3～4；所述Al2O3粉末和Y2O3粉末的总质量与粘结剂的质量比优选为5g:1～3mL，更优选为5g:1.5～2.5mL。在本发明中，所述球磨的球料比优选为2:1～3:1，所述球磨转速优选为500～600r/min，更优选为550r/min；所述球磨时间优选为5～8h，更优选为6～7h。本发明优选将Al2O3粉末和Y2O3粉末在上述条件下球磨混合，有利于原料之间充分分散，进而有利于后续的压制成型。本发明优选在整个过程中，均采用非金属辅助器材，例如塑料或陶瓷的药匙、烧杯等，不可采用金属制品的实验器材，避免引入金属杂质。
球磨完成后，本发明将球磨物干燥，得到混合粉体。在本发明中，所述干燥的温度优选为90℃，干燥的时间优选为3h。
得到混合粉体后，本发明将所述混合粉体依次进行压制和烧结处理后冷却，得到预制体。在本发明中，所述压制的单轴压力优选为190MPa，保压时间优选为5min。本发明优选通过压制得到直径75mm、厚度6mm的圆片状试样。在本发明中，所述烧结处理的温度优选为500℃，升温至烧结处理温度的升温速率优选为10℃/min，在烧结处理温度保温的时间优选为3h。本发明通过烧结处理，有利于除去试样中的无水乙醇和粘结剂杂质，保证试样的纯度。
得到预制体后，本发明在温场中，采用旋转提拉法将籽晶浸入预制体熔体中，然后依次经引晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾，得到Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料。
在本发明中，所述温场的温度优选为1770～1780℃，优选为1772～1778℃，更优选为1774～1776℃，所述温场内部优选填充氩气，所述氩气的气压优选为0.02MPa。
在本发明中，当籽晶浸入预制体熔体中后，对籽晶的质量进行实时监测，当籽晶的质量维持不变时，将籽晶从预制体熔体中向上旋转提拉。在本发明中，若籽晶浸入预制体熔体中后，籽晶的质量减小，优选在所述温场范围内降低温度，直至籽晶质量维持不变时，再将籽晶从预制体熔体中向上旋转提拉。
在本发明中，所述温场的布置方式优选为：
所述温场中的部件包括感应线圈，所述感应线圈内有下保温桶，所述下保温桶内有坩埚，所述坩埚顶部有坩埚环；所述坩埚环中心、下保温桶中心以及籽晶杆中心在同一直线上；
所述下保温桶顶部有上保温桶，所述上保温桶顶部有保温盖；
所述籽晶杆穿过上保温桶内部，籽晶杆的底部为铱金销；所述籽晶通过铱金销固定在籽晶杆上；
所述坩埚低于感应线圈顶部1～3cm；
所述上保温桶高度为25cm。
在本发明中，所述坩埚优选为铱金坩埚，本发明优选将坩埚放入下保温桶内之前，对坩埚进行清洗处理；所述清洗处理优选包括以下步骤：将坩埚浸没于浓盐酸中煮沸，所述浓盐酸优选为市售浓盐酸，所述煮沸的时间优选为1h。本发明优选对坩埚进行清洗，有利于去除加工过程中铱金坩埚表面杂质金属元素，避免杂质对共晶材料产生影响。
在本发明中，所述籽晶优选为氧化铝籽晶，所述籽晶的纯度优选为99.99％。
在本发明中，所述引晶的温度为1770～1780℃，优选为1772～1778℃，更优选为1774～1776℃；提拉速度为0.1～5mm/h，优选为0.5～4.5mm/h，更优选为1～4mm/h；转速为5～25r/min，优选为8～23r/min，更优选为10～20r/min。在本发明中，所述等径生长参数优选为：P:11～14，I:11～14，D:1～1.4，所述P更优选为11、12、13或14；所述I更优选为11、12、13或14；所述D更优选为1.1、1.2、1.3或1.4。本发明对缩颈、放肩和收尾的具实验参数没有要求，采用本发明熟知的方法即可。
本发明优选在上述条件下生长Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料，随着籽晶杆的缓慢上拉以及感应线圈功率的控制，在籽晶与熔体接触处形成一定的过冷度，实现结晶原子在固液界面处的有序排列，结晶过程连续进行，从而不断地有新的晶体从熔体中长出，进而得到自上而下连续定向凝固、低位错密度、结构完整性高、原子有序排列的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料，所述Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料为共晶单晶相，所述Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的直径为20～50mm，长度为10～150mm。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
(1)选取高纯微米级Al2O3(纯度为99.99％)，Y2O3(纯度为99.99％)粉末按Al2O3/Y2O3＝81.5/18.5摩尔比配制原料，其中Al2O3粉末的粒径为1～2μm，Y2O3粉末的粒径为1～2μm，先将原始粉末放入干燥箱90℃干燥3h，再用电子天平按上述配比称取质量为100g的Al2O3和Y2O3粉末，将上述粉末放入球磨罐中进行球磨，同时向球磨罐中加入20mL聚乙烯醇粘结剂及60mL无水乙醇，其中聚乙烯醇粘结剂由聚乙烯醇和水组成，聚乙烯醇和水的用量比为1g:20mL，静置5min后开始球磨，球磨介质为氧化锆，球料比为2:1，球磨转速为550r/min，球磨时间为6h，得到粉末浆料；然后将粉末浆料置于干燥箱中90℃下干燥3h后，得到湿度、黏度适中的混合粉体。整个过程均采用非金属辅助器材：例如塑料或陶瓷勺子，不可采用金属制品。
(2)用无水乙醇擦拭有机玻璃模具表面，再将上述步骤中所得混合粉体用带有称量纸的电子天平称取50g倒入模具中，将有机玻璃模具置于YA-2000B压力试验机下，施加190MPa的单轴压力，保压5min，获得直径75mm、厚度6mm的圆片状试样；
将圆片状试样放入坩埚中在卡博莱特高温烧结炉内进行粉末埋烧，按照图1所示烧结曲线设置加热程序：以10℃/min升温至500℃保温3h后随炉冷却至室温，目的是将试样内的无水乙醇和聚乙烯醇等杂质通过高温去除，保证试样的纯度，得到预制体。实施例1步骤(2)得到的预制体照片如图2所示。
(3)将实验所用的铱金坩埚放入容量为1000mL的烧杯中，倒入市售浓盐酸没过坩埚顶端，将烧杯底部垫上石棉网，放置在实验小电炉上进行加热至沸腾状态，并持续1h，直至溶液颜色微黄，目的是去除加工过程中铱金坩埚表面的其它杂质金属元素，以防升温后，杂质污染坩埚；待坩埚冷却后取出放入蒸馏水中清洗，去除表面浓盐酸残留，静置晾干；
将步骤(2)得到的预制体置于经上述处理后的铱金坩埚中，如图3所示，然后打开炉门1，将盛装有预制体的坩埚放入感应线圈16内下保温桶9内位置，随后将提高温度梯度的坩埚环8放到坩埚上面，保证环中心与下保温桶9中心以及籽晶杆4中心在同一竖直位置，放置好坩埚后将带有观察口的上保温桶15放置到坩埚以上部位，并将两组半圆环片保温盖5放在上保温桶15上面防止生长完成的晶体被提拉到保温热场之外引起热应力激冷开裂，将籽晶6通过铱金销14固定在籽晶杆4上，并通过手控器控制提拉系统2将籽晶下到保温桶内合适部位，最后将透明石英玻璃片7放到观察口处阻挡冷空气通过观察口进入保温腔，打扫干净炉内各部位，关闭炉门。
采用旋转提拉法制备Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料，旋转提拉法流程图如图4所示。打开电源以及循环水13，开始洗气(抽两次真空充两次氩气)，最后使炉内有一个0.02MPa的稳定氩气气压，设置程序(拉速5mm/h，转速12r/min，晶体直径50mm，长度90mm)，利用感应线圈(感应线圈的功率为10.30KW)加热坩埚并获得一定过热度的预制体熔体，然后将籽晶缓慢下降直至浸入预制体熔体中，当籽晶质量不变时缓慢向上提拉并旋转籽晶，随着籽晶杆的缓慢上拉以及感应线圈功率的控制，在籽晶与预制体熔体接触处形成一定的过冷度，实现结晶原子在固液界面处的有序排列，结晶过程连续进行，从而不断地有新的晶体从熔体中长出，得到自上而下连续定向凝固的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料。
实施例2
(1)选取高纯微米级Al2O3(纯度为99.99％)，Y2O3(纯度为99.99％)粉末按Al2O3/Y2O3＝81.5/18.5摩尔比配制原料，其中Al2O3粉末的粒径为1～2μm，Y2O3粉末的粒径为1～2μm，先将原始粉末放入干燥箱90℃干燥3h，再用电子天平按上述配比称取质量为100g的Al2O3和Y2O3粉末，将上述粉末放入球磨罐中进行球磨，同时向球磨罐中加入20mL聚乙烯醇粘结剂及60mL无水乙醇，其中聚乙烯醇粘结剂由聚乙烯醇和水组成，聚乙烯醇和水的用量比为1g:20mL，静置5min后开始球磨，球磨介质为氧化锆，球料比为3:1，球磨转速为550r/min，球磨时间为6h，得到粉末浆料；然后将粉末浆料置于干燥箱中90℃下干燥3h后，得到湿度、黏度适中的混合粉体。整个过程均采用非金属辅助器材：例如塑料或陶瓷勺子，不可采用金属制品。
(2)用无水乙醇擦拭有机玻璃模具表面，再将上述步骤中所得混合粉体用带有称量纸的电子天平称取50g倒入模具中，将有机玻璃模具置于YA-2000B压力试验机下，施加190MPa的单轴压力，保压5min，获得直径75mm、厚度6mm的圆片状试样；
将圆片状试样放入坩埚中在卡博莱特高温烧结炉内进行粉末埋烧，设置加热程序：以10℃/min升温至500℃保温3h后随炉冷却至室温，目的是将试样内的无水乙醇和聚乙烯醇等杂质通过高温去除，保证试样的纯度，得到预制体。
(3)将实验所用的铱金坩埚放入容量为1000mL的烧杯中，倒入市售浓盐酸没过坩埚顶端，将烧杯底部垫上石棉网，放置在实验小电炉上进行加热至沸腾状态，并持续1h，直至溶液颜色微黄，目的是去除加工过程中铱金坩埚表面的其它杂质金属元素，以防升温后，杂质污染坩埚；待坩埚冷却后取出放入蒸馏水中清洗，去除表面浓盐酸残留，静置晾干；
将步骤(2)得到的预制体置于经上述处理后的铱金坩埚中，如图3所示，然后打开炉门1，将盛装有预制体的坩埚放入感应线圈16内下保温桶9内位置，随后将提高温度梯度的坩埚环8放到坩埚上面，保证环中心与下保温桶9中心以及籽晶杆4中心在同一竖直位置，放置好坩埚后将带有观察口的上保温桶15放置到坩埚以上部位，并将两组半圆环片保温盖5放在上保温桶15上面防止生长完成的晶体被提拉到保温热场之外引起热应力激冷开裂，将籽晶6通过铱金销14固定在籽晶杆4上，并通过手控器控制提拉系统2将籽晶下到保温桶内合适部位，最后将透明石英玻璃片7放到观察口处阻挡冷空气通过观察口进入保温腔，打扫干净炉内各部位，关闭炉门。
采用旋转提拉法制备Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料，旋转提拉法流程图如图4所示。打开电源以及循环水13，开始洗气(抽两次真空充两次氩气)，最后使炉内有一个0.02MPa的稳定氩气气压，设置程序(拉速1.5mm/h，转速8r/min，晶体直径30mm，长度130mm)，利用感应线圈(感应线圈的功率为9.80KW)加热坩埚并获得一定过热度的预制体熔体，然后将籽晶缓慢下降直至浸入预制体熔体中，当籽晶质量不变时缓慢向上提拉并旋转籽晶，随着籽晶杆的缓慢上拉以及感应线圈功率的控制，在籽晶与预制体熔体接触处形成一定的过冷度，实现结晶原子在固液界面处的有序排列，结晶过程连续进行，从而不断地有新的晶体从熔体中长出，得到自上而下连续定向凝固的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料。
实施例3
(1)选取高纯微米级Al2O3(纯度为99.99％)，Y2O3(纯度为99.99％)粉末按Al2O3/Y2O3＝81.5/18.5摩尔比配制原料，其中Al2O3粉末的粒径为1～2μm，Y2O3粉末的粒径为1～2μm，先将原始粉末放入干燥箱90℃干燥3h，再用电子天平按上述配比称取质量为100g的Al2O3和Y2O3粉末，将上述粉末放入球磨罐中进行球磨，同时向球磨罐中加入20mL聚乙烯醇粘结剂及60mL无水乙醇，其中聚乙烯醇粘结剂由聚乙烯醇和水组成，聚乙烯醇和水的用量比为1g:20mL，静置5min后开始球磨，球磨介质为氧化锆，球料比为2.5:1，球磨转速为550r/min，球磨时间为6h，得到粉末浆料；然后将粉末浆料置于干燥箱中90℃下干燥3h后，得到湿度、黏度适中的混合粉体。整个过程均采用非金属辅助器材：例如塑料或陶瓷勺子，不可采用金属制品。
(2)用无水乙醇擦拭有机玻璃模具表面，再将上述步骤中所得共晶成分粉体用带有称量纸的电子天平称取50g倒入模具中，将有机玻璃模具置于YA-2000B压力试验机下，施加190MPa的单轴压力，保压5min。获得直径75mm、厚度6mm的圆片状试样，将圆片状试样放入坩埚中在卡博莱特高温烧结炉内进行粉末埋烧，设置加热程序：以10℃/min升温至500℃保温3h后随炉冷却至室温，目的是将试样内的无水乙醇和聚乙烯醇(PVA)等杂质通过高温去除，保证试样的纯度。
(3)将实验所用的铱金坩埚放入容量为1000mL的烧杯中，倒入浓盐酸没过坩埚顶端，将烧杯底部垫上石棉网，放置在实验小电炉上进行加热至沸腾状态，并持续1h，直至溶液颜色微黄，目的是去除加工过程中铱金坩埚表面的其他杂质金属元素，以防升温后，杂质污染坩埚(整个过程在通风橱中进行，谨防吸入浓盐酸气体)。待坩埚冷却后取出放入蒸馏水中清洗，去除表面浓盐酸残留，静置晾干。
将步骤(2)中的预制体置于经上述处理后的铱金坩埚17中，然后打开炉门1，将放入原料后的坩埚放入感应线圈16内下保温桶9内位置，随后将提高温度梯度的坩埚环8放到坩埚上面，保证环中心与下保温桶9中心以及籽晶杆4中心在同一竖直位置，放置好坩埚后将带有观察口的上保温桶15放置到坩埚以上部位，并将两组半圆环片保温盖5放在上保温桶15上面防止生长完成的晶体被提拉到保温热场之外引起热应力激冷开裂，将籽晶6通过铱金销14固定在籽晶杆4上，并通过手控器控制提拉系统2将籽晶下到保温桶内合适部位，最后将透明石英玻璃片7放到观察口处阻挡冷空气通过观察口进入保温腔，打扫干净炉内各部位，关闭炉门。
打开电源以及循环水13，开始洗气(抽两次真空充两次氩气)，最后使炉内有一个0.02MPa的稳定氩气过压，设置程序(拉速2mm/h，转速15r/min，晶体直径40mm，长度80mm)，利用感应线圈(感应线圈的功率为10.50KW)加热坩埚并获得一定过热度的熔体，然后将籽晶缓慢下降直至浸入熔体中，当籽晶质量不变时缓慢向上提拉并旋转籽晶，随着籽晶杆的缓慢上拉以及感应线圈功率的控制，在籽晶与熔体接触处形成一定的过冷度，实现结晶原子在固液界面处的有序排列，结晶过程连续进行，从而不断地有新的晶体从熔体中长出，得到自上而下连续定向凝固的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料。
结构表征
实施例1步骤(3)得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料照片如图5所示，Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的直径为50mm，长度90mm。由图5可知，Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的表面致密光洁、无孔洞、尺寸大。
实施例2步骤(3)制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的照片如图6所示，Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的直径为30mm，长度125mm。由图6可知，Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的表面致密光洁、无孔洞、尺寸大。
对实施例2步骤(3)得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的XRD进行测试，结果如图7所示，由图7可知，本发明得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料由α–Al2O3、YAG两相组成，无其他中间相。
对实施例3步骤(3)得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料进行扫描电镜测试，结果如图8所示，图8中图(a)为引晶阶段纵截面，图(b)为等径部分横截面。由图8可知，横截面与纵截面组织分布均匀，α–Al2O3相与YAG相交织缠绕，耦合生长，相尺寸相近。
对实施例2步骤(3)得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料距离籽晶不同长度处横截面的晶体取向织构进行电子背散射衍射测试，结果如图9所示，图9中图a为Al2O3相，图a1为YAG相，图a与图a1为距离籽晶与共晶连接界面处10mm的两相的横截面EBSD图；图b为Al2O3相，图b1为YAG相，图b与图b1为距离籽晶与共晶连接界面处30mm的两相的横截面EBSD图；图c为Al2O3相，图c1为YAG相，图c与图c1为距离籽晶与共晶连接界面处50mm的两相的横截面EBSD图；图d为Al2O3相，图d1为YAG相，图d与图d1为距离籽晶与共晶连接界面处80mm的两相的横截面EBSD图。由图9可知，Al2O3相在Al2O3籽晶的约束下，作为基体相外延生长，从最初位置即为单晶，而YAG相作为第二相增强相在距离籽晶50mm处即获得稳定生长，形成单晶相，且为其择优生长方向，无孔洞缺陷产生。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Al2O3粉末和Y2O3粉末在粘结剂和醇类溶剂存在的条件下进行球磨后干燥，得到混合粉体；
(2)将所述混合粉体依次进行压制和烧结处理后冷却，得到预制体；
(3)在温场中，采用旋转提拉法将籽晶浸入预制体熔体中，然后依次经引晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾，得到Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料；
所述引晶的温度为1770～1780℃，提拉速度为0.1～5mm/h，转速为5～25r/min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中温场的温度为1770～1780℃，温场内部填充氩气，所述氩气的气压为0～0.1MPa。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中温场的布置方式为：
所述温场中的部件包括感应线圈，所述感应线圈内有下保温桶，所述下保温桶内有坩埚，所述坩埚顶部有坩埚环；所述坩埚环中心、下保温桶中心以及籽晶杆中心在同一直线上；
所述下保温桶顶部有上保温桶，所述上保温桶顶部有保温盖；
所述籽晶杆穿过上保温桶内部，籽晶杆的底部为铱金销；所述籽晶通过铱金销固定在籽晶杆上；
所述坩埚低于感应线圈顶部1～3cm；
所述上保温桶高度为25cm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中Al2O3和Y2O3的摩尔比为80～82:18～20。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中Al2O3粉末和Y2O3粉末的粒径独立地为1～2μm。
6.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的粘结剂为聚乙烯醇水溶液，所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇和水的用量比为1g:18～22mL；
所述醇类溶剂包括无水乙醇；所述粘结剂和醇类溶剂的体积比为1:2～5；所述Al2O3粉末和Y2O3粉末的总质量与粘结剂的体积比为5g:1～3mL。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中球磨的球料比为2:1～3:1，所述球磨转速为500～600r/min；所述球磨时间为5～8h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)压制的单轴压力为190MPa，保压时间为5min；所述步骤(2)烧结处理的温度为500℃，升温至烧结处理温度的升温速率为10℃/min，在烧结处理温度保温的时间为3h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述籽晶为Al2O3籽晶。
10.根据权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料，所述Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料为共晶单晶相，所述Al2O3-YAG共晶熔体生长复合材料的直径为20～50mm，长度为10～150mm。
CN202010157003.1A 2020-03-09 2020-03-09 一种氧化铝-yag共晶熔体生长复合材料的制备方法 Active CN111235629B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010157003.1A CN111235629B (zh) 2020-03-09 2020-03-09 一种氧化铝-yag共晶熔体生长复合材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010157003.1A CN111235629B (zh) 2020-03-09 2020-03-09 一种氧化铝-yag共晶熔体生长复合材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111235629A true CN111235629A (zh) 2020-06-05
CN111235629B CN111235629B (zh) 2021-04-23

Family

ID=70873414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010157003.1A Active CN111235629B (zh) 2020-03-09 2020-03-09 一种氧化铝-yag共晶熔体生长复合材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111235629B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113354398A (zh) * 2021-07-08 2021-09-07 西安石油大学 一种三氧化二铝基高熵共晶陶瓷及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102050617A (zh) * 2010-11-04 2011-05-11 西北工业大学 一种获得氧化铝基二元共晶熔体生长陶瓷组织形貌的方法
CN104746135A (zh) * 2013-12-27 2015-07-01 成都晶九科技有限公司 一种感应炉平界面大尺寸掺钕钇铝石榴石晶体生长方法
CN108148592A (zh) * 2018-01-10 2018-06-12 中山大学 一种具有相分离结构稀土共晶荧光材料及其制备方法和应用
JP2018150478A (ja) * 2017-03-14 2018-09-27 株式会社福田結晶技術研究所 蛍光体用酸化物共晶体結晶及びその製造方法
CN109311758A (zh) * 2016-06-15 2019-02-05 赛峰航空器发动机 制造涡轮发动机部件的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102050617A (zh) * 2010-11-04 2011-05-11 西北工业大学 一种获得氧化铝基二元共晶熔体生长陶瓷组织形貌的方法
CN104746135A (zh) * 2013-12-27 2015-07-01 成都晶九科技有限公司 一种感应炉平界面大尺寸掺钕钇铝石榴石晶体生长方法
CN109311758A (zh) * 2016-06-15 2019-02-05 赛峰航空器发动机 制造涡轮发动机部件的方法
JP2018150478A (ja) * 2017-03-14 2018-09-27 株式会社福田結晶技術研究所 蛍光体用酸化物共晶体結晶及びその製造方法
CN108148592A (zh) * 2018-01-10 2018-06-12 中山大学 一种具有相分离结构稀土共晶荧光材料及其制备方法和应用

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113354398A (zh) * 2021-07-08 2021-09-07 西安石油大学 一种三氧化二铝基高熵共晶陶瓷及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111235629B (zh) 2021-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104695010B (zh) 一种快速制备大尺寸蓝宝石晶体改良泡生法
CN110195254B (zh) 一种适用于提拉法的线圈可移动式温场结构与单晶生长方法
JP5344919B2 (ja) 結晶成長のための装置及び方法
JP6606638B2 (ja) Ｆｅ−Ｇａ基合金単結晶の育成方法及び育成装置
CN100494511C (zh) 掺镓元素太阳能硅单晶的生产方法
JP5493092B2 (ja) 酸化ガリウム単結晶の製造方法および酸化ガリウム単結晶
CN108203844B (zh) 钽酸镁系列晶体及其制备方法
CN102758249A (zh) 一种无色刚玉单晶的制备方法
TW201104024A (en) Method & equipment for producing sapphire single crystal
JP2004131317A (ja) 石英ガラス部材の強化方法と強化処理した石英ガラスルツボ
CN111235629B (zh) 一种氧化铝-yag共晶熔体生长复合材料的制备方法
JP5341415B2 (ja) 圧電単結晶、及び、その製造方法
CN116575121B (zh) 一种具有高度取向性的单晶Cr2AlC材料及其制备方法
TW201109483A (en) Systems, methods and substrates of monocrystalline germanium crystal growth
JP6053018B2 (ja) 結晶成長方法
JP7072146B2 (ja) 鉄ガリウム合金の単結晶育成方法
CN110205672A (zh) 一种类单晶硅晶体生长方法和热场结构
JP6990383B2 (ja) 高性能Ｆｅ－Ｇａ基合金単結晶製造方法
CN204779912U (zh) 一种带浮渣过滤结构的lec单晶生长装置
JP4358555B2 (ja) シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボとその引上方法
CN110453283A (zh) 一种封盖式引晶的导模法生长封口蓝宝石管的模具和方法
TW200419015A (en) Process for producing single crystal of compound semiconductor and crystal growing apparatus
CN110512280A (zh) 一种导模法生长封口蓝宝石管的装置和方法
CN110438562B (zh) 一种有效释放砷化镓单晶结晶潜热的方法及装置
CN213652724U (zh) 连续拉晶单晶炉的热场结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant