New! View global litigation for patent families

RU2571777C1 - Method of producing aluminium oxide-based optical nanoceramic - Google Patents

Method of producing aluminium oxide-based optical nanoceramic

Info

Publication number
RU2571777C1
RU2571777C1 RU2014147755A RU2014147755A RU2571777C1 RU 2571777 C1 RU2571777 C1 RU 2571777C1 RU 2014147755 A RU2014147755 A RU 2014147755A RU 2014147755 A RU2014147755 A RU 2014147755A RU 2571777 C1 RU2571777 C1 RU 2571777C1
Authority
RU
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
heat
optical
ultrasound
treated
oxide
Prior art date
Application number
RU2014147755A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Николаевич Смирнов
Вячеслав Владимирович ШАРЫПИН
Евгения Викторовна Голикова
Анна Валериевна Волкова
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова")
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГУ")
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
Grant date

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method of producing aluminium oxide-based optical nanoceramic includes preparing a colloidal solution from finely dispersed powdered γ-Al2O3 via dispersion thereof using ultrasound, acidification with citric acid and using formamide as a thickener, including additional treatment with ultrasound. The prepared sol is placed in a container and held until formation of a semi-product - a gel workpiece which is heat-treated. The obtained semi-product - gel workpiece - is crushed, re-gelled at different pH values, followed by heat treatment until formation of xerogel, which is further heat-treated and sintered at 1800-1900°C.
EFFECT: high optical transparency in the UV and infrared spectrum, and mechanical strength.
7 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области производства оптических материалов, прозрачных в широкой области спектра, с высоким коэффициентом пропускания и повышенной механической прочностью, в частности получения оптического материала из оксида алюминия, представляющего собой нанокерамику. The invention relates to the production of optical materials that are transparent in a wide spectral range, high transmittance and high mechanical strength, in particular the preparation of optical material made of aluminum oxide, which is a Nanoceramics. Первостепенное значение разработка конкурентоспособных оптических материалов приобретает в области алюмооксидной нанокерамики. Paramount development of optical materials becomes competitive in nanoceramics alumina. В настоящее время все большее значение приобретают поликристаллические материалы на основе данного вида нанокерамики для использования их в изготовлении окон, работающих в широком диапазоне спектра при различных режимах термомеханических нагрузок в приборах оптоэлектронной техники. Currently it is becoming increasingly important polycrystalline materials based on this type of nanoceramic for use in the manufacture of windows, working in a wide spectral range in different regimes of thermomechanical stresses in the art optoelectronic devices.

Для получения алюмооксидной оптической керамики предпочтительными материалами являются γ-Al 2 O 3 и γ-AlOOH (бемит), так как предварительные эксперименты показали, что они обладают наибольшей активностью к спеканию. For optical alumina ceramics preferred materials are γ-Al 2 O 3 and γ-AlOOH (boehmite), since preliminary experiments indicated that they have the highest activity for sintering. Это достаточно очевидно, так как данная кристаллическая модификация находится в конце ряда из трех основных кристаллических форм Al 2 O 3 и, в принципе, возможно реализовать процесс, в котором будет постадийно проходить образование всех возможных модификаций, вплоть до образования корунда α-Al 2 O 3 . It is quite obvious, since this crystal modification is in the end of the row of three basic crystalline forms of Al 2 O 3 and, in principle, possible to implement the process in which will be stepwise undergo formation of all possible modifications, including the formation of corundum α-Al 2 O 3.

Из уровня техники известны различные методы получения алюмооксидной нанокерамики с использованием готового порошкового оксида алюминия, состоящего из частиц, представляющих наноразмерные частицы. The prior art discloses various methods of obtaining alumina nanoceramics finished using alumina powder consisting of particles which are nanoscale particles. В то же время малое число работ представляет такие виды оптических сред и способы их получения. At the same time a small number of papers is such types of optical media, and methods for their preparation. Для примера можно привести результаты работы, приведенные в патенте US №7148480, опубликованном 12.12.2006 по индексу МПК G01J 5/00, где заявлен поликристаллический материал на основе нанокерамики для оптических окон, изготовленный путем уплотнения наноразмерных частиц с размерами менее 100 нм путем спекания под давлением и пропусканием через них импульсного электрического тока. For example, the results shown in the patent US №7148480, published 12.12.2006 index IPC G01J 5/00, where claimed polycrystalline material based nanoceramics optical windows, made by compacting the nano-sized particles with sizes below 100 nm by sintering under and pressure by passing them through a pulsed electric current. Размер зерен конечного продукта (после уплотнения и обжига) находится в широком диапазоне и заключен в пределах более 350 нм. The grain size of the final product (after compaction and sintering) is in wide limits and lies in the range of more than 350 nm. Главным недостатком данного технического решения следует считать большой разброс размеров частиц, что обусловливает низкую оптическую однородность и низкую прозрачность полученного материала и лежит в основе его низкой механической прочности. The main drawback of this technical solution should be considered as a large spread of particle sizes, resulting in low uniformity and low optical transparency resulting material underlies its low mechanical strength.

Получение нанокерамики из порошкообразного полученного по золь-гель технологии γ-Al 2 O 3 , целесообразно ввиду технологичности исходного материала, т.к. Preparation of powdered nanoceramics obtained by the sol-gel γ-Al 2 O 3 technologies, it is useful in view of processability of the starting material, because данная фаза является наиболее низкотемпературной кристаллической формой, способной к преобразованию в конечной форме. this phase is the most low-temperature crystal form capable of conversion into a final form.

В качестве наиболее близкого к заявляемому способу является техническое решение по патенту РФ №2402506, МПК C04B 35/10, C30B 28/00, C30B 29/20 и B82B 3/00, опубликованному 27.10.2010 По данному способу получают алюмооксидную нанокерамику, которая обладает высокой оптической прозрачностью в видимой и ИК-областях спектра и высокой механической прочностью. As the closest to the claimed method is the technical solution under the patent of the Russian Federation №2402506, IPC C04B 35/10, 28/00 C30B, C30B 29/20 and B82B 3/00, published 27.10.2010 By this method is obtained an alumina Nanoceramics which has high optical transparency in the visible and infrared regions of the spectrum and high mechanical strength. Задача решается с помощью способа, который включает в себя получение фракции наночастиц с размерами заведомо меньше, чем размер структурообразующего зерна керамического материала, формования заготовки, оптимальные режимы ее термообработки, горячего прессования и прокаливания. The problem is solved by a method which includes obtaining a fraction of nanoparticles with sizes clearly smaller than the size of a grain nucleating ceramic material forming the preform, its optimal regimes of heat treatment, hot pressing and calcination. Известный способ включает приготовление из высокодисперсного порошкового γ-Al 2 O 3 коллоидного раствора, выделение супернатанта, который подвергают ультразвуковой обработке, нагреву, закислению, в результате чего доводят до загущенного состояния с концентрацией твердой фазы не менее 14%. The known method involves the preparation of finely particulate γ-Al 2 O 3 colloidal solution, separation of supernatant, which was subjected to ultrasonic treatment, heating, acidification, resulting in gelled condition was adjusted to a solids concentration of not less than 14%. Вязкий золь формуют до образования гелевой заготовки, которую превращают в ксерогель. The viscous sol is formed to form a gel preform which is converted to a xerogel. Для получения керамики ксерогель прессуют при температуре 1200-1750°C под давлением от 30 до 300 МПа. For ceramic xerogel pressed at a temperature of 1200-1750 ° C under a pressure of 30 to 300 MPa. Полученный материал представляет собой нанокерамику с размером структурообразующего зерна менее 30-90 нм. The resulting material is a Nanoceramics with grain size less structurant 30-90 nm.

Недостатки данного способа очевидны: алюмооксидная нанокерамика имеет низкое пропускание в УФ-области спектра, низкие механические свойства и низкую однородность материала (образцы испещрены пятнами, возникшими от схлопывания пор заготовки ксерогеля). Disadvantages of this method are evident: nanoceramics aluminum oxide has low transmittance in the ultraviolet region of the spectrum, the low mechanical properties and low homogeneity of the material (samples are covered with spots arising from pore collapse xerogel preform). Неоднородность свойств материала обуславливает неоднородность оптических свойств и низкое значение по пропусканию, по эрозионной устойчивости, что в полной мере отражают результаты измерения твердости на микроуровне (микротвердость по Виккерсу). Heterogeneity of material properties causes heterogeneity of optical properties and a low value for transmission on erosion resistance that fully reflect the results of measurements on the micro level of hardness (Vickers microhardness).

Задача нового изобретения заключается в получении высококачественного оптического поликристаллического материала - алюмооксидной нанокерамики из структурообразующих элементов с размерами в несколько десятков нанометров и обладающего высокой оптической прозрачностью в УФ, видимой и ИК-областях спектра, а также высокими значениями механической прочности (плотность, твердость по Моосу, микротвердость). The task of the new invention is to obtain high quality optical polycrystalline material - alumina nanoceramics of building blocks with dimensions of a few tens of nanometers and having high optical transparency in the UV, visible, and infrared regions of the spectrum, as well as high values ​​of mechanical strength (density, hardness Mohs, microhardness).

Технический результат достигается путем подбора оптимальных процедур гелирования исходного высоко дисперсного порошкового γ-Al 2 O 3 , который подвергают спеканию. Technical result is achieved by selecting optimal procedures gelling raw powder highly dispersed γ-Al 2 O 3, which is sintered. Способ также упрощен по отношению к прототипу за счет исключения дополнительных операций термообработки и прессования. The method also simplified relative to the prior art by eliminating the additional operations of heat treatment and compression.

Предлагаемый способ позволяет устранить недостатки прототипа. The proposed method makes it possible to eliminate the drawbacks of the prototype.

Задача решается способом получения оптической нанокерамики на основе оксида алюминия, который включает в себя приготовление коллоидного раствора из высокодисперсного порошкового γ-Al 2 O 3 путем его диспергирования с использованием ультразвука, закисления, например, с помощью лимонной кислоты и использования формамида в качестве загустителя, включая дополнительную обработку ультразвуком, после чего помещают в емкость, выдерживают до образования полупродукта - гелевой заготовки, которую термообрабатывают и подвергают спеканию. The problem solved by a method of producing an optical nanoceramics based on aluminum oxide, which comprises preparing a colloidal solution of finely powdered γ-Al 2 O 3 by dispersing it with the use of ultrasound, acidification, eg with citric acid and the use of formamide as a thickener including further sonication then placed in a container is heated to form a precursor - gel preform, which is heat treated and sintered.

В отличие от прототипа полученный полупродукт - гелевую заготовку, измельчают, повторно подвергают гелированию при различных значениях pH, последующей термообработке до образования ксерогеля, который подвергают спеканию при температуре 1800-1900°C. Unlike the prototype, the resulting intermediate - gel preform is ground, again subjected to gelation at various values ​​of pH, followed by heat treatment to form a xerogel, which is sintered at a temperature of 1800-1900 ° C.

Целесообразно изначально изготовить коллоидный раствор высокодисперсного порошкового γ-Al 2 O 3 на водной основе с концентрацией твердой фазы не более 10%. Advantageously initially produce a colloidal solution of fine particulate γ-Al 2 O 3 water-based with a concentration of solids of 10%. Данная концентрация обеспечивает стабильное состояние коллоидного раствора. This provides a steady state concentration of the colloidal solution.

Целесообразно коллоидный раствор изначально перемешивать в течение 50 часов при подогреве до 40°C и диспергировать ультразвуком, предпочтительно в течение 30 минут при частоте 35±2 кГц. Advantageously the colloidal solution is initially stirred for 50 hours while heating to 40 ° C and dispersed with ultrasound, preferably for about 30 minutes at a frequency of 35 ± 2 kHz. Данная процедура обеспечивает повышение оптической однородности конечного продукта. This procedure enhances the optical homogeneity of the final product.

Закисление золя осуществляют, например, с помощью лимонной кислоты, до pH 4,4-4,6 и гидрата окиси аммония до pH 10.0±0,2. Acidification of the sol is carried out, for example with citric acid to pH 4,4-4,6 and ammonium hydroxide to pH 10.0 ± 0,2.

Гелевую заготовку после извлечения из формы помещают в печь, предпочтительно на сутки, при температуре 65-70°C, после охлаждения проводят вторую стадию термообработки, при которой происходит медленное прокаливание гелевой заготовки при градиенте 2,5°C/мин в течение 3-4 ч до 300°C и последующая выдержка в течение 2 часов при 300°C, затем инерционно охлаждают до комнатной температуры. The gel preform after removal from the mold placed in a furnace, preferably at night, at a temperature of 65-70 ° C, cooling is carried out after the second heat treatment step at which the slow calcination of the gel with a gradient preform 2,5 ° C / min for 3-4 h to 300 ° C and subsequent exposure for 2 hours at 300 ° C, then inertially cooled to room temperature.

Полученную в результате предыдущих операций гелевую заготовку последовательно прокаливают с градиентом температуры 2,5°C/мин с выдержкой в течение 2 ч при температуре 600°C и 900°C соответственно, после чего инерционно охлаждают. The resulting gel previous operations successively calcined preform with a temperature gradient 2.5 ° C / min, holding for 2 hours at a temperature of 600 ° C and 900 ° C respectively and then cooled inertially. Получают пористый гель с относительной плотностью 0,4-0,5. A porous gel with a relative density of 0.4-0.5.

Куски пористого геля измельчают до порошкообразного состояния и вторично гелируют в слабокислой, нейтральной или щелочной средах. The pieces of porous gel is ground to a powder and a second gelatinized in a weakly acidic, neutral or alkaline environments.

Вторично гелированную заготовку после извлечения из формы помещают в сушильный шкаф, предпочтительно на сутки, при температуре 60-70°C, после охлаждения проводят вторую стадию термообработки, при которой происходит медленное прокаливание вторично гелированной заготовки при градиенте 1°C/мин в течение 6,5 ч до 300°C и при выдержке 20 мин при 90°C, 20 мин при 180°C, 120 мин при 300°C, затем инерционно охлаждают до комнатной температуры. Secondary preform gelled after removal from the mold in the oven, preferably at night, at a temperature of 60-70 ° C, cooling is carried out after the second heat treatment step at which the slow calcination gelled second gradient blank 1 ° C / min during 6 5 hours to 300 ° C and when exposed for 20 minutes at 90 ° C, 20 minutes at 180 ° C, 120 minutes at 300 ° C, then inertially cooled to room temperature.

После данной операции образуется ксерогель, в составе которого не имеется сростка частиц, который препятствует образованию однородного оптического керамического материала. After this operation, a xerogel is formed in which structure there is no splice particles, which prevents the formation of a homogeneous optical ceramic material.

Ксерогель подвергают второй стадии термообработки в шахтной печи - прокаливание до 600°C по режиму, приведенному в таблице, после чего проводят инерционное охлаждение до комнатной температуры. Xerogel subjected to a second heat treatment step in the shaft furnace - calcination to 600 ° C at the conditions given in the table, followed by inertial cooling to room temperature.

Проводят третью стадию термообработки ксерогеля, при которой его прокаливают до 900°C со скоростью нагрева до 800°C - 10°C/мин и с выдержкой 20 мин, далее до 900°C скорость нагрева уменьшается до 3°C/мин, с выдержкой при 900°C 60 мин, после чего проводят инерционное охлаждение до комнатной температуры. Carried out a third step xerogel heat treatment in which it was calcined to 900 ° C at a heating rate of 800 ° C - 10 ° C / min and with an exposure for 20 minutes, then to 900 ° C the heating rate is reduced to 3 ° C / min, delayed at 900 ° C 60 minutes, followed by cooling to room inertial temperature.

Температура спекания 1800-1900°C обеспечивает получение однородного нанокерамического оптического материала с относительной плотностью порядка 1 и пропусканием в диапазоне от УФ до ИК областей спектра. sintering temperature of 1800-1900 ° C nanoceramic provides a homogeneous optical material with a specific gravity of about 1 and a transmittance in the range from UV to IR spectral regions. Спекание ниже 1800°C не обеспечивает достаточно высокого пропускания в указанной области спектра. Sintering below 1800 ° C does not provide sufficiently high transmittance in said spectral region. Выше 1900°C спекание вести нецелесообразно ввиду укрупнения частиц нанокерамического оптического материала и потери оптической однородности. Above 1900 ° C the sintering lead impractical due to coarsening of the particles nanoceramic optical material and loss of optical homogeneity.

Исходным сырьем является порошок марки AEROXIDE® Alu C, Cas-No. The raw material powder is a brand AEROXIDE® Alu C, Cas-No. 1344-28-1 (средний размер частиц 13 нм). 1344-28-1 (average particle size 13 nm).

Результатами реализации заявленного способа являются более высокие показатели качества полученной алюмооксидной нанокерамики. The realization of the claimed method is the higher quality indicators obtained nanoceramics alumina. Микротвердость 2100·10 7 Па, что даже выше, чем самое высокое значение параметра для монокристалла лейкосапфира, высокая однородность и высокое по сравнению с прототипом пропускание в УФ области спектра. The microhardness of 2100 x 10 7 Pa, which is even higher than the highest value for a single crystal sapphire, high uniformity and high in comparison with the prior art transmission in the UV region.

На чертеже представлены спектры пропускания образцов с различными значениями pH материала керамики, где: The figure shows transmission spectra of samples with different pH values ​​of ceramic material, wherein:

1 - кривая, характеризующая пропускание материала для нейтрального pH; 1 - curve characterizing the transmission of the material for the neutral pH;

2 - кривая, характеризующая пропускание материала для слабокислого pH; 2 - curve characterizing the transmission of material for the weakly acidic pH;

3 - кривая, характеризующая пропускание материала для щелочного pH. 3 - curve characterizing transmittance material for an alkali pH.

Спектры пропускания представлены для образцов керамик Al 2 O 3 , полученных спеканием ксерогелей при 1800°C. The transmission spectra are presented for the samples of ceramics Al 2 O 3 obtained by sintering xerogels at 1800 ° C.

Конкретные примеры реализации предложенного способа. Specific examples of the realization of the proposed method.

Пример №1. Example №1. Исходным сырьем является порошок марки AEROXIDE® Alu C, Cas-No. The raw material powder is a brand AEROXIDE® Alu C, Cas-No. 1344-28-1, который представляет собой воздушно-сухой порошок аэроксида γ-Al 2 O 3 с размером частиц 13 нм. 1344-28-1, which is an air-dry powder aeroksida γ-Al 2 O 3 having a particle size of 13 nm. Из 40 грамм исходного порошка и 0,96 л дистиллированной воды приготавливают дисперсную систему с концентрацией твердой фазы 4,0 вес. Of the 40 grams of the starting powder and 0.96 liters of distilled water was prepared with a concentration of dispersion solids 4.0 wt. %. %. Данную суспензию объемом ~0.96 л перемешивают с помощью магнитной мешалки при нагревании до 60-70°C. The suspension volume of ~ 0.96 L stirred with a magnetic stirrer while heating to 60-70 ° C. Время перемешивания составляет не менее 50 часов. stirring time at least 50 hours. Приготовленный золь обрабатывают ультразвуком с частотой 35±2 кГц в ультразвуковой ванне «Сапфир» в течение 30 минут, разливают в гидрофобизированные формы. The prepared sol was sonicated with a frequency of 35 ± 2 kHz in the ultrasonic bath "Sapphire" for 30 minutes, poured into hydrophobized form. Для создания щелочного значения pH добавляют NH 4 OH (1-2 капли на 50 мл золя) до получения значения pH 10.0±0.2, затем добавляют формамид в количестве 20% от объема исходного сконцентрированного золя, обеспечивая соотношение золя к формамиду 5:1. To create an alkaline pH values added NH 4 OH (1-2 drops per 50 ml of the sol) to a pH value of 10.0 ± 0.2, then add formamide in an amount of 20% by volume of a source of concentrated sol sol ratio providing formamide to 5: 1. Далее золь обрабатывают ультразвуком 35±2 кГц в течение 10 минут, что создает эффект перемешивания гелирующего состава, который затем сливают в гидрофобные формы объемом 25-35 мл. Next, the sol was sonicated 35 ± 2 kHz for 10 minutes, creating a mixing effect gelling composition which was then poured into hydrophobic form volume 25-35 ml. Гидрофобные формы выполняют в виде парафинированных емкостей, например кварцевых, стеклоуглеродных, фторопластовых и пр. В этих формах гель выдерживают при комнатной температуре до 3-х недель. Hydrophobic forms operate as a waxy containers, for example quartz, glassy, ​​PTFE and so forth. In these forms the gel was kept at room temperature for up to 3 weeks. В результате происходит сушка геля до отставания его от стенок форм. As a result, drying the gel to form from it the lag walls. Сформированные таким образом объемы каждой гелевой заготовки вынимают из форм и помещают в сушильный шкаф на сутки при температуре 65-70°C. Thus formed gel volumes each preform is removed from the molds and placed in an oven for a day at a temperature of 65-70 ° C. После извлечения из сушильного шкафа заготовки помещают в печь, где нагревают до 300°C со скоростью 2,5°C/мин. After removal from the oven the preform is placed in an oven where heated to 300 ° C at a rate 2.5 ° C / min. При достижении 300°C выдерживают в течение 2 часов. Upon reaching 300 ° C is maintained for 2 hours. Далее происходит инерционное охлаждение до комнатной температуры, примерно в течение суток. Further there is the inertial cooling to room temperature, for about a day.

Далее гелевые заготовки последовательно прокаливают при температурах 600°C и 900°C со скоростью нагрева 2.5°C/мин с выдержкой по 2 часа для каждой означенной температуры, после чего инерционно охлаждают. Next Gel consecutively preform is calcined at temperatures of 600 ° C and 900 ° C with a heating rate of 2.5 ° C / min with a delay of 2 hours for each of the aforesaid temperature after which inertially cooled.

В результате всех стадий термообработки были получены разноразмерные куски пористого ксерогеля, которые измельчают до порошкообразного состояния. As a result of the heat treatment steps different size pieces of porous xerogel was obtained which was ground to a powder. Измельчение проводят в лабораторном блендере 8010S при скорости вращения вала двигателя 14000 об/мин. Milling is carried out in a laboratory blender at 8010S shaft speed motor 14000 rev / min. Многократная механическая обработка осуществляется в течение 5 мин, суммарное время измельчения около 30 мин. Multiple mechanical treatment is carried out for 5 minutes, the total grinding time of about 30 minutes. В результате получен тонкодисперсный «непылящийся» по сравнению с исходным аэроксидом порошок оксида алюминия. The result is a fine, "dust-free" when compared with the original powder aeroksidom alumina.

Пример №1/2. EXAMPLE №1 / 2. Навеску 13 г порошка оксида алюминия из ксерогеля, полученного при температуре 900°C по примеру №1, смешивают с 130 мл дистиллированной воды. A weighed portion of 13 g of aluminum oxide powder is a xerogel obtained at a temperature of 900 ° C in Example №1, mixed with 130 ml of distilled water. Полученную смесь диспергируют в воде на ультразвуковой бане РЭЛТЕК УЗВ-7/100-ТНМ в течение 5 часов (при частоте 60 кHz), что способствует гидрофилизации поверхности оксида и уменьшению степени агрегации частиц. The resulting mixture was dispersed in water in an ultrasonic bath Reltec RAS-7 / THM 100 for 5 hours (at 60 kHz), thereby hydrophilizing the surface of the oxide and decrease in the degree of particle aggregation. Активированный золь помещают во фторопластовую форму. Activated sol was placed in a fluoroplastic shape. Гелирование проводят в нейтральной среде при pH 5,6. Gelation is carried out in a neutral medium at pH 5,6. Время гелирования при комнатной температуре составляет более 5 недель. gelation time at room temperature is more than 5 weeks.

Пример №1/3. EXAMPLE №1 / 3. Навеску 13 г порошка оксида алюминия из ксерогеля, полученного при температуре 900°C по примеру №1, смешивают с 130 мл дистиллированной воды. A weighed portion of 13 g of aluminum oxide powder is a xerogel obtained at a temperature of 900 ° C in Example №1, mixed with 130 ml of distilled water. Полученную смесь диспергируют в воде на ультразвуковой бане РЭЛТЕК УЗВ-7/100-ТНМ в течение 5 часов (при частоте 60 кHz), что способствует гидрофилизации поверхности оксида и уменьшению степени агрегации частиц. The resulting mixture was dispersed in water in an ultrasonic bath Reltec RAS-7 / THM 100 for 5 hours (at 60 kHz), thereby hydrophilizing the surface of the oxide and decrease in the degree of particle aggregation. Активированный золь помещают во фторопластовую форму. Activated sol was placed in a fluoroplastic shape. Для изменения pH добавляют 5 мл 10% раствора лимонной кислоты. To change the pH are added 5 ml of 10% citric acid solution. Гелирование проводят в слабокислой среде при pH 5,2. Gelation is carried out in a weakly acid environment at pH 5,2. Время гелирования при комнатной температуре составляет более 5 недель. gelation time at room temperature is more than 5 weeks.

Пример №1/4. EXAMPLE №1 / 4. Навеску 7 г порошка оксида алюминия из ксерогеля, полученного при температуре 900°C по примеру №1, смешивают с 70 мл дистиллированной воды. A portion 7 g alumina xerogel powder obtained at a temperature of 900 ° C in Example №1, mixed with 70 ml of distilled water. Полученную смесь диспергируют в воде на ультразвуковой бане РЭЛТЕК УЗВ-7/100-ТНМ в течение 5 часов (при частоте 60 кHz), что способствует гидрофилизации поверхности оксида и уменьшению степени агрегации частиц. The resulting mixture was dispersed in water in an ultrasonic bath Reltec RAS-7 / THM 100 for 5 hours (at 60 kHz), thereby hydrophilizing the surface of the oxide and decrease in the degree of particle aggregation. Активированный золь помещают во фторопластовую форму. Activated sol was placed in a fluoroplastic shape. Для изменения pH добавляют 1,5 мл 20% раствора аммиака. To change the pH is added 1.5 ml of 20% ammonia solution. Гелирование проводят в щелочной среде, например, с использованием гидрата окиси аммония, при pH 9,4. Gelation is carried out in an alkaline medium, for example using ammonium hydroxide at pH 9,4. Время гелирования при комнатной температуре составляет 3 недели. gelation time at room temperature is 3 weeks.

Получение целостных образцов предпочтительно именно для варианта щелочного гелирования. Preparation of complete sample is preferably an alkali embodiment for gelation.

Сформированные таким образом заготовки вынимают из формы и помещают в сушильный шкаф на сутки при температуре 60-70°C, после чего помещают в шахтную электропечь СШОЛ-10/11, где нагревают до 300°C со скоростью 1°C/мин и при выдержке 20 мин при 90°C, 20 мин при 180°C и 120 мин при 300°C. Thus formed preform is removed from the mold and placed in an oven for a day at a temperature of 60-70 ° C, and then placed in an electric furnace shaft SSHOL-10/11, which was heated to 300 ° C at 1 ° C / min, and when exposed 20 minutes at 90 ° C, 20 minutes at 180 ° C and 120 minutes at 300 ° C. Печь инерционно охлаждается до комнатной температуры примерно в течение суток. Oven inertially cooled to room temperature, for about a day.

Далее производят вторую стадию термообработки ксерогелей в шахтной печи - прокаливание до 600°C по режиму, приведенному в таблице, после чего инерционно охлаждают. Further produce a second stage heat treatment in a shaft furnace xerogels - calcination to 600 ° C at the conditions given in the table, then cooled inertially.

Figure 00000001

На третьей стадии термообработки ксерогели нагревают до 900°C, скорость нагрева до 800°C 10°C/мин, выдержка 20 мин, далее до 900°C скорость нагрева уменьшается до 3°C/мин, выдержка при 900°C 60 мин. In the third step xerogels heat treatment is heated to 900 ° C, the heating rate to 800 ° C 10 ° C / min, holding for 20 minutes, then to 900 ° C the heating rate is reduced to 3 ° C / min, holding at 900 ° C 60 min.

Далее происходит инерционное охлаждение до комнатной температуры, примерно в течение 2 суток. Further there is the inertial cooling to room temperature for about 2 days.

Не последнем этапе термообработки ксерогели помещают в вакуумную печь и нагревают до 1800°C согласно следующему режиму: 1,5 часа нагрев до 800°C; Not last stage xerogels placed in a vacuum heat treatment furnace and heated to 1800 ° C according to the following regime: 1.5 hours heating to 800 ° C; 1,5 часа нагрев с 800°C до 1500°C и 1 час нагрев с 1500°C до 1800°C. 1.5 hours heating from 800 ° C to 1500 ° C and 1 hour heating from 1500 ° C to 1800 ° C. Выдерживают при 1800°C в течение 5 часов, затем инерционно охлаждают. Maintained at 1800 ° C for 5 hours, then cooled inertially.

Из полученных керамических заготовок изготавливают пластины толщиной 1 мм. From the obtained ceramic preforms manufactured plates 1 mm thick. Проводят измерения спектров пропускания и микротвердости полученных образцов. Carry out measurement of the transmission spectra and the microhardness of the obtained samples. Спектры пропускания приведены на чертеже. The transmission spectra are shown in the drawing.

Наилучшим пропусканием в УФ и видимой области обладает образец, полученный в щелочной среде. Well transmittance in the UV and visible region has a pattern obtained in a basic medium.

Измерение микротвердости проводили на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 200 г по 10 точкам. Microhardness measurements were performed on a PMT-3 instrument with a load of 200 g at 10 points. Среднее значение микротвердости для полученного в нейтральной среде образца составило 2046·10 7 Па, в слабокислой среде - 2084·10 7 Па и в щелочной - 2107·10 7 Па. The average microhardness value obtained in the neutral environment of the sample was 2,046 x 10 7 Pa, in a weakly acidic medium - 2084 x 10 7 Pa and alkaline - 2107 x 10 7 Pa. Для лейкосапфира микротвердость: 2200·10 7 Па перпендикулярно c-оси и 1940·10 7 Па - параллельно c-оси. For sapphire microhardness of 2200 x 10 7 Pa perpendicular to c-axis and 1,940 x 10 7 Pa - parallel to the c-axis. Средние значения микротвердости керамических образцов лежат между максимальным и минимальным значением для сапфира. The average microhardness of ceramic samples lie between the maximum and minimum values ​​for sapphire. Полученные результаты соответствует представлениям о хаотичном распределении оптических осей в поликристаллическом теле. The results obtained are consistent with the concept of a chaotic distribution of the optical axes in the polycrystalline body.

Claims (7)

1. Способ получения оптической нанокерамики на основе оксида алюминия, включающий приготовление коллоидного раствора из высокодисперсного порошкового γ-Al 2 O 3 путем его диспергирования с использованием ультразвука, закисления, например, с помощью лимонной кислоты и использования формамида в качестве загустителя, включая дополнительную обработку ультразвуком, приготовленный золь помещают в емкость, выдерживают до образования полупродукта - гелевой заготовки, которую подвергают термообработке, а на последней стадии процесса производят 1. A method of producing an optical-based nanoceramics comprising preparing a colloidal solution of alumina finely powdered γ-Al 2 O 3 by dispersing it with the use of ultrasound, acidification, eg with citric acid and the use of formamide as a thickener, including additional sonication prepared sol was placed in a container maintained to form a precursor - gel preform which is subjected to heat treatment, and in the last stage of the process produces спекание, отличающийся тем, что полупродукт - гелевую - заготовку измельчают, повторно подвергают гелированию при различных значениях pH, последующей термообработке до образования ксерогеля, который дополнительно термообрабатывают и спекают при температуре 1800-1900°C. sintering, characterized in that the intermediate - a gel - the workpiece is ground, again subjected to gelation at various values ​​of pH, followed by heat treatment to form a xerogel, which is further heat treated and sintered at a temperature of 1800-1900 ° C.
2. Способ по п. 1, в котором изначально получают коллоидный раствор высокодисперсного порошкового γ-Al 2 O 3 на водной основе с концентрацией твердой фазы не более 10%. 2. A method according to Claim. 1, wherein the initially prepared colloidal solution of fine particulate γ-Al 2 O 3 water-based with a concentration of solids of 10%.
3. Способ по п. 1, в котором коллоидный раствор изначально перемешивают в течение 50 часов при подогреве до 40°C и диспергируют ультразвуком предпочтительно в течение 30 минут при частоте 35±2 кГц. 3. The method of claim. 1, wherein the colloidal solution is initially stirred for 50 hours while heating to 40 ° C and dispersed by sonication is preferably for 30 minutes at a frequency of 35 ± 2 kHz.
4. Способ по п. 1, в котором гелевую заготовку последовательно прокаливают при температурах 600 и 900°C с градиентом температуры 2,5°C/мин с выдержкой при каждой температуре прокаливания 2 часа, после чего инерционно охлаждают. 4. A method according to Claim. 1, wherein the gel preform successively calcined at temperatures 600 and 900 ° C with 2.5 ° C / min temperature gradient from the exposure at each calcination temperature 2 hours, after which inertially cooled.
5. Способ по п. 4, в котором гелевую заготовку измельчают до порошкообразного состояния и вторично гелируют в слабокислой или нейтральной или щелочной средах. 5. The method of claim. 4, wherein the gel preform pulverized to a powder and a second gelatinized in a weakly acidic or neutral or alkaline environments.
6. Способ по п. 5, в котором вторично гелированную заготовку после извлечения из формы помещают в сушильный шкаф предпочтительно на сутки при температуре 60-70°C, после охлаждения проводят вторую стадию термообработки, при которой происходит медленное прокаливание вторично гелированной заготовки до образования ксерогеля. 6. The method of claim. 5, wherein the second gelled preform after removal from the mold was placed in an oven for a day, preferably at a temperature of 60-70 ° C, cooling is carried out after the second heat treatment step at which the slow calcination gelled second preform to form a xerogel .
7. Способ по п. 6, в котором ксерогель подвергают нескольким стадиям прокаливания предпочтительно до 600 и 900°C соответственно, при этом проводят инерционное охлаждение после каждой стадии до комнатной температуры. 7. The method of claim. 6, wherein the xerogel subjected to several stages of the calcination is preferably 900 to 600 ° C, respectively, the inertia is performed after each cooling step to room temperature.
RU2014147755A 2014-11-26 2014-11-26 Method of producing aluminium oxide-based optical nanoceramic RU2571777C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014147755A RU2571777C1 (en) 2014-11-26 2014-11-26 Method of producing aluminium oxide-based optical nanoceramic

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014147755A RU2571777C1 (en) 2014-11-26 2014-11-26 Method of producing aluminium oxide-based optical nanoceramic

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2571777C1 true RU2571777C1 (en) 2015-12-20

Family

ID=54871476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014147755A RU2571777C1 (en) 2014-11-26 2014-11-26 Method of producing aluminium oxide-based optical nanoceramic

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2571777C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5076980A (en) * 1990-08-01 1991-12-31 Geltech, Inc. Method of making sol-gel monoliths
RU2021225C1 (en) * 1989-07-07 1994-10-15 Лонца Аг Baked ceramic material based on aluminum oxide and process for producing baked ceramic material
RU2083531C1 (en) * 1995-08-01 1997-07-10 Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева Method of manufacturing transparent alumina ceramics
RU2402506C1 (en) * 2009-05-13 2010-10-27 Закрытое акционерное общество (ЗАО) "ИНКРОМ" Method of producing alumina nanoceramic
CN101880154B (en) * 2010-06-25 2013-01-09 沈阳大学 Preparation method of nanometer cordierite-based ceramic dielectric material used for high-frequency chip inductor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2021225C1 (en) * 1989-07-07 1994-10-15 Лонца Аг Baked ceramic material based on aluminum oxide and process for producing baked ceramic material
US5076980A (en) * 1990-08-01 1991-12-31 Geltech, Inc. Method of making sol-gel monoliths
RU2083531C1 (en) * 1995-08-01 1997-07-10 Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева Method of manufacturing transparent alumina ceramics
RU2402506C1 (en) * 2009-05-13 2010-10-27 Закрытое акционерное общество (ЗАО) "ИНКРОМ" Method of producing alumina nanoceramic
CN101880154B (en) * 2010-06-25 2013-01-09 沈阳大学 Preparation method of nanometer cordierite-based ceramic dielectric material used for high-frequency chip inductor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ishizaki et al. Porous Materials: Process technology and applications
Davis et al. Settling suspensions of colloidal silica: observations and X-ray measurements
Tsetsekou et al. Optimization of the rheological properties of alumina slurries for ceramic processing applications Part I: Slip-casting
US4200445A (en) Method of densifying metal oxides
US4657754A (en) Aluminum oxide powders and process
Lee et al. Crystallization and densification of nano‐size amorphous cordierite powder prepared by a PVA solution‐polymerization route
Van de Graaf et al. Microstructure and sintering kinetics of highly reactive ZrO2-Y2O3 ceramics
Kothapalli et al. Influence of temperature and concentration on the sintering behavior and mechanical properties of hydroxyapatite
US5178849A (en) Process for manufacturing alpha alumina from dispersible boehmite
Murray et al. An improvement in processing of hydroxyapatite ceramics
Huling et al. Hybrid gels for homoepitactic nucleation of mullite
Giesche et al. Preparation, characterization, and sinterability of well-defined silica/yttria powders
Manalert et al. Sol-gel processing and sintering of yttrium aluminum garnet (YAG) powders
Dynys et al. Alpha alumina formation in alum‐derived gamma alumina
US4829031A (en) Method of preparing ceramic compositions at lower sintering temperatures
Pach et al. Nucleation of alpha alumina in boehmite gel
Duxson et al. Understanding the relationship between geopolymer composition, microstructure and mechanical properties
Limaye et al. Synthesis, sintering and thermal expansion of Ca1-xSrxZr4P6O24—an ultra-low thermal expansion ceramic system
Lee et al. Preparation of Portland cement components by poly (vinyl alcohol) solution polymerization
Vilmin et al. Lowering crystallization temperature of zircon by nanoheterogeneous sol-gel processing
WO2014124554A1 (en) Abrasive grain with controlled aspect ratio
Liu et al. Effect of rheological properties of the suspension on the mechanical strength of Al2O3–ZrO2 composites prepared by gelcasting
US5030592A (en) Highly dense cordierite and method of manufacturing same
Fegley et al. Preparation of Zirconia‐Alumina Powders by Zirconium Alkoxide Hydrolysis
US6638885B1 (en) Lyotropic liquid crystalline L3 phase silicated nanoporous monolithic composites and their production