RU2815897C1 - Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия - Google Patents

Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия Download PDF

Info

Publication number
RU2815897C1
RU2815897C1 RU2023112769A RU2023112769A RU2815897C1 RU 2815897 C1 RU2815897 C1 RU 2815897C1 RU 2023112769 A RU2023112769 A RU 2023112769A RU 2023112769 A RU2023112769 A RU 2023112769A RU 2815897 C1 RU2815897 C1 RU 2815897C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mixture
sintering
aluminum
oxide
temperature
Prior art date
Application number
RU2023112769A
Other languages
English (en)
Inventor
Тигран Гагикович Акопджанян
Данил Илдусович Абзалов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2815897C1 publication Critical patent/RU2815897C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области получения тугоплавких керамических материалов, в частности к получению беспористой керамики, прозрачной в УФ, видимом и ИК спектрах. Техническим результатом заявленного изобретения является получение высокопрозрачной оптической керамики со светопропусканием более 70% для образца толщиной 3 мм на основе порошков оксинитрида алюминия. Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия включает приготовление реакционной смеси порошков алюминия, оксида алюминия и перхлората магния в шаровой мельнице, помещение смеси в реактор и проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в среде азота, прессование смеси, спекание в высокотемпературной печи в среде азота, при этом в исходную смесь вводят не более 25 масс. % оксида магния и в качестве спекающей добавки - не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана, давление азота в реакторе поддерживают в диапазоне 0,5-10 МПа, а спекание проводят в среде азота при температуре 1800-1950°С, при этом длительность спекания составляет не менее 10 часов и не более 20 часов. 1 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к области получения тугоплавких керамических материалов, в частности, к получению беспористой керамики, прозрачной в УФ, видимом и ИК спектрах.
Известен способ (RU 2370472 C1, С04В 35/581, С04В 35/626, С04В 35/65, С01В 21/072, 20.10.2009) получения литого оксинитрида алюминия, который включает в себя приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащих оксид хрома VI, оксид алюминия, алюминий и нитрид алюминия, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа в среде азота, или смеси азота с воздухом, или смеси азота с аргоном. После завершения синтеза целевой продукт в виде слитка оксинитрида алюминия отделяют от слитка алюминида хрома.
Недостатками данного способа являются непрозрачность материала, а также высокая плотность получаемого слитка, что затрудняет использование данного материала в качестве исходного сырья для получения оптически прозрачной керамики, т.к. для ее получения необходим мелкий размер частиц с узким фракционным составом, а также высокая чистота порошков.
Известен способ (RU 2013141975 А, С04В 35/115, С04В 35/581, 28.02.2012) получения поликристаллического оксинитрида алюминия, обладающего улучшенной прозрачностью. Смесь порошков оксида алюминия (Al2O3) и нитрида алюминия (AlN) спекают при атмосферном давлении. Способ включает первую стадию спекания при температуре от 1575°С до 1675°С такую, чтобы относительная плотность полученного материала была равна или превысила 95%, и содержание чистого AlN находилось в диапазоне от 17 до 26 мол.%; и вторую стадию спекания при температуре от 1900°С до 2050°С так, что получить относительную плотность, превышающую относительную плотность, полученную при первом спекании, в котором пропускание видимого света образца толщиной 1,5 мм, полученного после второй стадии, было равно или превысило 70%.
Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты, связанные с использованием высокотехнологического дорогостоящего оборудования, использование дорогостоящего нитрида алюминия, что заметно удорожает процесс и продукт, низкое светопропускание керамического образца.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия (Т.G. Akopdzhanyan, S.I. Rupasov, S. Vorotilo, Chemically activated combustion synthesis of AlON under high nitrogen pressure, Combustion and Flame, Volume 232, 2021). Смесь порошков алюминия, оксида алюминия и перхлората магния сжигают в атмосфере газообразного азота при давлениях от 10 до 60 МПа. Полученный порошок измельчают в планетарной мельнице с добавкой 0,5 масс. % оксида иттрия Y2O3, затем порошок прессуют в таблетки диаметром 20 мм и высотой 5 мм и спекают в атмосфере азота при температуре 1930°С со скоростью нагрева 40°С/мин и выдержкой от 2 до 4 часов. Полученные образцы шлифуют до толщины в 1,5 мм и полируют. В результате светопропускание образцов составило до 25%.
Недостатками данного способа являются использование высоких давлений азота при синтезе порошкового материала, наличие дополнительного этапа с введением спекающей добавки, а также низкое светопропускание керамики.
Техническим результатом заявленного изобретения является получение высопрозрачной оптической керамики со светопропусканием более 70% для образца толщиной 3 мм на основе порошков оксинитрида алюминия.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия включает приготовление реакционной смеси порошков алюминия, оксида алюминия и перхлората магния в шаровой мельнице, помещение смеси в реактор и проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в среде азота, прессование смеси, спекание в высокотемпературной печи в среде азота, при этом в исходную смесь вводят не более 25 масс. % оксида магния и в качестве спекающей добавки - не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана, давление азота в реакторе поддерживают в диапазоне 0,5-10 МПа, а спекание проводят в среде азота при температуре 1800-1950°С, при этом длительность спекания составляет не менее 10 часов и не более 20 часов.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Получают порошок оксинитрида алюминия методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) реакционной смеси в среде газа азота при давлениях в диапазоне 0,5-10 МПа, состоящей из алюминия, оксида алюминия, оксида магния и перхлората магния и спекающих добавок в количестве не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана. Для этого смешивают порошки алюминия, оксида алюминия, оксида магния и перхлората магния в количествах, чтобы в процессе синтеза образовался нитрид алюминия и оксид алюминия с массовым соотношением 1:4,48. Введение оксида магния в реакционную смесь позволяет получить однофазный продукт при проведении процесса СВС. Увеличение количества оксида магния в исходной смеси выше 25 масс. % приводит к неполному образованию материала и остается в виде вторичной фазы в конечном продукте. Это не позволит получать оптическую керамику. Также в эту смесь закладывают спекающие агенты в виде не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана. Увеличение количества спекающей добавки выше 0,5 масс. % приводит к изменению микроструктуры порошков, спеканию их в процессе синтеза и как следствие повышению размера зерна, что делает невозможным получение оптически прозрачной керамики без введения дополнительной стадии измельчения порошков. Далее смесь помещают в СВС реактор, реактор вакуумируют, после напускают газ и создают необходимое давление в диапазоне 0,5-10 МПа и инициируют процесс горения нагревом вольфрамовой или нихромовой спирали. Использование давления ниже 0,5 МПа приводит к не полному азотированию алюминия и, как следствие, полученный продукт содержит непрореагировавший алюминий из исходной смеси, что делает невозможным получение оптически прозрачной керамики. После синтеза, полученный материал просеивают через 50 мкм сито. Полученный порошок одноосно прессуют.
Далее полученные образцы помещают в высокотемпературную печь для проведения спекания. Спекание осуществляют при следующих условиях: давление N2 - 100 КПа, температура - 1800-1950°С, скорость нагрева - 10°С/мин. Снижение температуры спекания ниже 1800°С приводит не полному спеканию образцов, снижению их плотности и, как следствие, к снижению оптических характеристик. Превышение температуры в 1950°С приводит к существенному росту зерна, образованию точек рассеивания на границах зерен, и, как следствие, снижению светопропускания керамики. Для полноценного протекания процессов консолидации спекание проводят не менее 10 часов и не более 20 часов, что способствует росту зерна и увеличению оптических характеристик. Время протекания процесса спекания зависит от требований к конечным оптическим характеристиками керамики, чем больше время спекания, тем выше светопропускание керамики. Температура спекания связана с необходимостью обеспечения роста зерна. Сущность изобретения подтверждается следующими примерами.
Пример 1. Для получения порошка оксинитрида алюминия берут порошки оксида алюминия, алюминий, перхлорат магния, оксид магния, оксид иттрия, оксид лантана. Основные характеристики реагентов приведены в таблице 1.
Реакционную смесь готовят в шаровой мельнице с использованием мелющих тел из оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, масс. %: оксид алюминия - 72,3; алюминий - 9,2; перхлорат магния - 4,6; оксид магния 13,8; В качестве спекающей добавки используют порошки, масс. %: оксид иттрия - 0,08; оксид лантана - 0,02. Готовую смесь помещают в графитовый тигель. Тигель помещают в СВС реактор, реактор вакуумируют, далее нагнетают давление азота 5 МПа, смесь локально воспламеняют с помощью нихромовой спирали и осуществляют синтез в режиме СВС.
После завершения процесса СВС продукт охлаждают и извлекают из реактора. Продукт представляет собой однофазный порошок. Выход целевого продукта (оксинитрида алюминия с добавками оксидов иттрия, лантана и магния) составляет 97% от расчетного значения. Размер зерна основной фазы составляет <2 мкм.
Далее полученный порошок просеивают через 50 мкм сито, прессуют в образец необходимого размера и помещают в высокотемпературную печь. Для исключения загрязнения образца материалами нагревателей печи, образец помещают в стакан из нитрида бора. Камеру печи вакуумируют, и нагнетают 100 КПа азота. В печи производят спекание образца при температуре 1800°С в течение 20 часов. После остывания печи, полученный образец обрабатывают до толщины 3 мм, шлифуют и полируют до зеркального блеска. Светопропускание полученного образца толщиной 3 мм составляет 74%.
Пример 2. Для получения порошка оксинитрида алюминия берут порошки оксида алюминия, алюминий, перхлорат магния, оксид магния, оксид иттрия, оксид лантана. Основные характеристики реагентов приведены в таблице 1.
Реакционную смесь готовят в шаровой мельнице с использованием мелющих тел из оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, масс. %: оксид алюминия - 75,15; алюминий - 17; перхлорат магния - 7,5; оксид магния 0,1. В качестве легирующей добавки используют порошки, масс. %: оксид иттрия - 0,2; оксид лантана - 0,05. Готовую смесь помещают в графитовый тигель. Тигель помещают в СВС реактор, реактор вакуумируют, далее нагнетают давление азота 10 МПа, смесь локально воспламеняют с помощью нихромовой спирали и осуществляют синтез в режиме СВС.
После завершения процесса СВС продукт охлаждают и извлекают из реактора. Продукт представляет собой однофазный порошок. Выход целевого продукта (оксинитрида алюминия с добавками оксидов иттрия, лантана и магния) составляет 97% от расчетного значения. Размер зерна основной фазы составляет <2 мкм.
Далее полученный порошок просеивают через 50 мкм сито, прессуют в образец необходимого размера и помещают в высокотемпературную печь. Для исключения загрязнения образца материалами нагревателей печи, образец помещают в стакан из нитрида бора. Камеру печи вакуумируют, и нагнетают 100 КПа азота. В печи производят спекание образца при температуре 1870°С в течение 16 часов.
После остывания печи, полученный образец обрабатывают до толщины 3 мм, шлифуют и полируют до зеркального блеска. Светопропускание полученного образца толщиной 3 мм составляет 77%.
Пример 3. Для получения порошка оксинитрида алюминия берут порошки оксида алюминия, алюминий, перхлорат магния, оксид магния, оксид иттрия, оксид лантана. Основные характеристики реагентов приведены в таблице 1.
Реакционную смесь готовят в шаровой мельнице с использованием мелющих тел из оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, масс. %: оксид алюминия - 61,2; алюминий - 5,8; перхлорат магния - 7,5; оксид магния 25; В качестве легирующей добавки используют порошки, масс. %: оксид иттрия - 0,4; оксид лантана - 0,1. Готовую смесь помещают в графитовый тигель. Тигель помещают в СВС реактор, реактор вакуумируют, далее нагнетают давление азота 0,5 МПа, смесь локально воспламеняют с помощью нихромовой спирали и осуществляют синтез в режиме СВС.
После завершения процесса СВС продукт охлаждают и извлекают из реактора. Продукт представляет собой однофазный порошок. Выход целевого продукта (оксинитрида алюминия с добавками оксидов иттрия, лантана и магния) составляет 97% от расчетного значения. Размер зерна основной фазы составляет <2 мкм.
Далее полученный порошок просеивают через 50 мкм сито, прессуют в образец необходимого размера и помещают в высокотемпературную печь. Для исключения загрязнения образца материалами нагревателей печи, образец помещают в стакан из нитрида бора. Камеру печи вакуумируют, и нагнетают 100 КПа азота. В печи производят спекание образца при температуре 1950°С в течение 10 часов.
После остывания печи, полученный образец обрабатывают до толщины 3 мм, шлифуют и полируют до зеркального блеска. Светопропускание полученного образца толщиной 3 мм составляет 70%.
Характеристика исходных веществ и функциональных добавок приведена в таблице.
Таким образом, в результате заявленного изобретения получена беспористая, высопрозрачная оптическая керамика на основе оксинитрида алюминия, прозрачная в УФ, видимом и ИК спектрах со светопропусканием более 70%.

Claims (1)

  1. Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия, включающий приготовление реакционной смеси порошков алюминия, оксида алюминия и перхлората магния в шаровой мельнице, помещение смеси в реактор и проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в среде азота, прессование смеси, спекание в высокотемпературной печи в среде азота, отличающийся тем, что в исходную смесь вводят не более 25 масс. % оксида магния и в качестве спекающей добавки - не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана, давление азота в реакторе поддерживают в диапазоне 0,5-10 МПа, а спекание проводят в среде азота при температуре 1800-1950°С, при этом длительность спекания составляет не менее 10 часов и не более 20 часов.
RU2023112769A 2023-05-17 Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия RU2815897C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2815897C1 true RU2815897C1 (ru) 2024-03-25

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118360648A (zh) * 2024-04-18 2024-07-19 中南大学 一种氮化铝陶瓷涂层的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4847221A (en) * 1987-01-13 1989-07-11 Kabushiki Kaisha Toshiba AlN sintered body having high thermal conductivity and a method of fabricating the same
RU2171793C2 (ru) * 1999-10-14 2001-08-10 Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете Способ получения шихты оксинитрида алюминия
RU2370472C1 (ru) * 2008-03-27 2009-10-20 Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Способ получения литого оксинитрида алюминия в режиме горения
CN102180675A (zh) * 2011-02-22 2011-09-14 上海大学 化学共沉淀碳热还原法制备γ-AlON粉末的方法
CN107344854A (zh) * 2016-05-06 2017-11-14 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种制备氮氧化铝透明陶瓷的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4847221A (en) * 1987-01-13 1989-07-11 Kabushiki Kaisha Toshiba AlN sintered body having high thermal conductivity and a method of fabricating the same
RU2171793C2 (ru) * 1999-10-14 2001-08-10 Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете Способ получения шихты оксинитрида алюминия
RU2370472C1 (ru) * 2008-03-27 2009-10-20 Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Способ получения литого оксинитрида алюминия в режиме горения
CN102180675A (zh) * 2011-02-22 2011-09-14 上海大学 化学共沉淀碳热还原法制备γ-AlON粉末的方法
CN107344854A (zh) * 2016-05-06 2017-11-14 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种制备氮氧化铝透明陶瓷的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AKOPDZHANYAN T.G. et al., "Chemically activated combustion synthesis of AlON under high nitrogen pressure", Combustion and Flame, Volume 232, 2021. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118360648A (zh) * 2024-04-18 2024-07-19 中南大学 一种氮化铝陶瓷涂层的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Messier et al. The α/β silicon nitride phase transformation
CN107352994B (zh) 一种镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法
CN1413176A (zh) 312相材料的形成方法和烧结方法
KR20120098118A (ko) 투명도가 향상된 다결정 산질화알루미늄의 제조방법
JPS6048466B2 (ja) 多結晶透明アルミナ焼結体の製造法
Permin et al. IR-transparent MgO-Gd 2 O 3 composite ceramics produced by self-propagating high-temperature synthesis and spark plasma sintering
EP2280914B1 (en) Single-stage thermal process for manufacturing transparent sintered spinel
Permin et al. IR-transparent MgO-Y2O3 ceramics by self-propagating high-temperature synthesis and spark plasma sintering
JP2004532788A (ja) 金属含有単一相組成物の製造方法
JP2939535B2 (ja) 透明酸化イットリウム焼結体の製造法
JPH06211573A (ja) 透明なy2o3焼結体の製造方法
Kovalev et al. Reaction synthesis of the Ti 2 AlN MAX-phase
Sokol et al. On the effects of LiF on the synthesis and reactive sintering of gahnite (ZnAl2O4)
RU2815897C1 (ru) Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия
KR101575561B1 (ko) 투명도가 향상된 다결정 산질화알루미늄의 제조방법
US7045091B1 (en) Transient liquid phase reactive sintering of aluminum oxynitride (AlON)
FR2512003A1 (fr) Procede de preparation d&#39;oxynitrure d&#39;aluminium et produit obtenu
CN109053192B (zh) 一种MgAlON透明陶瓷粉体的制备方法
Bhaumik et al. Synthesis and sintering of SiC under high pressure and high temperature
JP2000203933A (ja) 乾式混合法による透明イットリウム・アルミニウム・ガ―ネット焼結体の製造法
RU2794376C1 (ru) Способ получения керамики на основе оксинитрида алюминия
CN115806277A (zh) 一种超高熔点碳氮化铪粉体的新型制备方法
FR2512012A1 (fr) Oxynitrure d&#39;aluminium transparent et son procede de fabrication
Studenikin et al. Synthesis of silicon oxynitride by infiltration-mediated combustion
FR2556711A1 (fr) Pieces transparentes en oxynitrure d&#39;aluminium et leur procede de fabrication