專利名稱：一種具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷及其制造方法。屬 于透明氧化鋁陶瓷領域。
背景技術：
多晶氧化鋁透明陶瓷(又稱透明多晶氧化鋁)具有對可見光和紅外光良 好的透過性，同時也具有高溫強度大、耐熱性好、耐腐蝕性強、電阻率大等 特點，廣泛用作高壓氣體放電管、紅外窗口、高頻絕緣材料等。自從上世紀
50年代Coble [US3026210]發(fā)明第一塊多晶氧化鋁透明陶瓷以來，許多科研 工作者致力于多晶氧化鋁透明陶瓷的研究。人們從減少雜質、消除氣孔、控 制晶粒和晶界等角度，做了大量的工作，試圖獲得高透過率的多晶氧化鋁透 明陶瓷。然而，半個多世紀的研究證明，以上常規(guī)手段無法從本質上大幅度 提高多晶氧化鋁透明陶瓷的透過率。
研究發(fā)現，由于氧化鋁晶體屬于一軸晶非均質體，具有0.008的雙折率， 當光線穿過任意取向的兩個相鄰的晶粒時，會發(fā)生界面反射、折射以及雙折 射。光線穿過多晶氧化鋁時，多次反復的反射、折射和雙折射最終導致透過 率的下降。所以通常情況下多晶氧化鋁透明陶瓷實際上是半透明的，或者說 是透光性的。因此，在許多對透過率要求更高的場合(比如激光材料和光學 鏡頭等)，多晶氧化鋁透明陶瓷很難得到應用。
歐洲專利EP1706365通過控制氧化鋁的平均晶粒尺寸在lum以下的方 法，來減少雙折射，在一定波長范圍內大幅提高了多晶氧化鋁透明陶瓷的透 過率。但現有技術無法獲得遠小于可見光波長的晶粒尺寸。所以，在可見光 波段該發(fā)明的透過率急劇下降，不能從根本上解決多晶氧化鋁透明陶瓷的雙 折射問題。 一

發(fā)明內容
為了從根本上解決光線在晶界上發(fā)生反射、折射和雙折射而降低多晶氧 化鋁透明陶瓷的透過率的問題，本發(fā)明提供一種具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁 透明陶瓷及制備方法，該多晶氧化鋁透明陶瓷的全部或者部分晶粒的光軸沿 同一方向排列，從而避免或者減小了光線在相鄰晶粒之間發(fā)生反射、折射和 雙折射，進而大幅度提高了透過率。本發(fā)明同時公開了上述多晶氧化鋁透明
陶瓷的制備方法，通過大于1T (特斯拉)的強磁場使得懸浮液中的氧化鋁顆 粒的c軸(與光軸方向相同)趨向于沿磁場方向排列，成形后得到的素坯中 氧化鋁顆粒的c軸全部或部分沿一定方向排列，再經過合適的燒結工藝最終 得到上述多晶氧化鋁透明陶瓷。
下面介紹本發(fā)明所采取的技術方案。
首先配制充分分散的氧化鋁漿料，將上述漿料注入放置于強磁場中的吸 槳模具中成型。由于氧化鋁c軸方向的磁化系數大于a， b軸方向的磁化系數 (x 。> x a= x A)，所以懸浮液中的氧化鋁顆粒的c軸趨于沿著平行于磁場方 向排列。隨著吸漿過程中水分的排出，漿料中的氧化鋁顆粒逐漸在模具表面 形成一層濕坯，從而被磁場定向后的氧化鋁顆粒能夠被固定住。成型后，將 模具連同氧化鋁陶瓷濕坯從磁場中取出并脫模；然后將得到的坯體烘干后在 800 — 120(TC煅燒，除去其中的分散劑及其它有機物，最后在1750 — 1900。C 的氫氣爐中燒制得到多晶氧化鋁透明陶瓷。X射線衍射譜圖顯示，在垂直于 磁場的截面上多晶氧化鋁陶瓷的(006)晶面的衍射峰有顯著增強，說明透明 氧化鋁粉體的晶粒的c軸在平行于磁場方向有擇優(yōu)取向。Al203晶粒從無序到 完全擇優(yōu)取向對透過率變化將是一個漸變的過程。理論上說，磁場強度大于 1T就可以，但效果稍微差些，通常選10T — 20T。
本發(fā)明中上述氧化鋁懸浮液要充分分散，可以添加分散劑(例如聚丙烯 酸銨)提高分散性，同時也可以在超聲波中分散以獲得更好的分散性。本發(fā) 明采用的氧化鋁粉體原料的純度大于99. 99%，可以添加MgO作為燒結助劑。
5本發(fā)明中上述氧化鋁懸浮液除了含有高純a氧化鋁粉體和燒結助劑以 外，還可以有選擇性地加入Cr或者Ti離子以獲得多晶紅寶石或者多晶藍寶 石。
本發(fā)明中強磁場中的成型方法除上述注漿成型以外，還可以使用壓力注 漿、凝膠澆注或者電泳沉積等方法。本發(fā)明中燒制的方法除上述方法以外， 還可以是熱等靜壓燒結。
本發(fā)明所得多晶氧化鋁透明陶瓷的直線透過率在650nm處達到50%以 上，最高達76%，甚至接近單晶，高于現有技術水平。本發(fā)明所得多晶氧化 鋁透明陶瓷可以用作為光學鏡頭，透明窗口等。摻入Cr或者Ti離子的多晶 氧化鋁透明陶瓷可以取代現有的紅寶石單晶或藍寶石單晶用作為激光介質材 料，也可用作為閃爍介質材料。


圖l是實施例l的實物照片。
圖2是實施例1的XRD分析結果。
圖3是實施例1、對比例1和對比例2的透過率測試結果。
圖中曲線1為實施例1的直線透過率，曲線2為對比例1的直線透過
率，曲線3為對比例2的直線透過率。
具體實施例方式
實施例l:
所用氧化鋁粉的平均粒徑為0.5pm，純度為99.99%。攪拌混合5000g 氧化鋁粉、1500g水以及6.4g六水合硝酸鎂(對應燒結助劑Mg0的量為 200ppm)，混合均勻后烘干，然后加熱至60(TC煅燒，得到含有200ppm MgO 的氧化鋁粉。將所得粉體用氧化鋁研缽研磨后待用。
將上述摻MgO的氧化鋁粉按照固相含量為30 voP/)的量加入去離子水， 同時加入相對于氧化鋁粉的重量為0. 5 wt^的聚丙烯酸銨作為分散劑，裝在 尼龍罐子中進行球磨。然后，用超聲波分散30分鐘，得到分散均勻的懸浮液。
6將中間有一圓柱狀凹坑的石膏模具水平放入強度為12T的豎直勻磁場 中，在圓柱狀凹坑中注入上述分散均勻的懸浮液，約120分鐘后吸漿完成取 出模具并脫模。將脫模所得圓片狀濕坯體烘干后在IOO(TC的空氣中煅燒2小 時除去有機物，再將底部lmm厚的底層切除防止石膏污染，最后在185(TC的 氫氣中燒制3小時。
將得到的燒結體加工成厚度為0. 8mm的小圓片，兩面都用金剛石研磨膏 拋光，測得其在650nm處的直線透過率(圖3，曲線1)達到65%，并且在 可見光波段透過率隨波長變化很小。
將上述所得的多晶氧化鋁透明陶瓷用X射線衍射分析。從圖2可以看出 在垂直于磁場的截面上多晶氧化鋁陶瓷的(006)晶面的衍射峰有顯著增強，而 沒有(IIO)晶面的衍射峰出現；同樣在平行于磁場的截面上多晶氧化鋁陶瓷的 (IIO)晶面的衍射峰很強，而沒有(006)晶面的衍射峰出現。說明透明氧化鋁 陶瓷晶粒的c軸在平行于磁場方向有擇優(yōu)取向。
將上述所得的多晶氧化鋁透明陶瓷按照平行于磁場方向和垂直于磁場 方向分別取樣，加工成厚度為0.03mm的薄片，在正交偏光顯微鏡下觀察。對 于垂直于磁場方向的薄片，除少數晶粒異常外正交偏光下視域內90%以上面 積呈現全消光，說明光軸方向垂直于薄片。對于平行于磁場方向的薄片，正 交偏光下360。轉動載物臺，薄片出現4次消光，并且90。^以上的晶粒在旋 轉至同一角度消光，說明光軸具有擇優(yōu)取向。 對比例1
按照歐洲專利EP1706365制備的樣品也采用同樣的方法測試，所得直線 透過率(圖3，曲線2)隨波長減小而迅速下降。 對比例2
為了比較磁場的作用效果，將實施例1所述的分散均勻的懸浮液在沒有 磁場的環(huán)境下成型，其余制備條件與實施例l相同。所得燒結體在相同測試 條件下的直線透過率(圖3，曲線3)小于2QQ^。實施例2
所用氧化鋁粉與實施例l相同。攪拌混合5000g氧化鋁粉、1500g水、 6. 4g六水合硝酸鎂以及13. 2g九水合硝酸鉻(折合0203相對氧化鋁的含量 為0. 05 wt%)，混合均勻后烘干，然后加熱至60(TC煅燒，得到含有200ppmMgO 和0.05 wt^Cr203的氧化鋁粉。將所得粉體用氧化鋁研缽研磨后待用。
擇優(yōu)取向、成型等工藝步驟同實施例1，最后在1820。C的氫氣中燒結3 小時。所得摻Cr的多晶氧化鋁透明陶瓷(也叫多晶紅寶石)呈現出粉紅色， 在650nm處的直線透過率達到58%。
將上述所得的多晶紅寶石用X射線衍射分析?？梢钥闯鲈诖怪庇诖艌龅?截面上多晶紅寶石的(006)晶面的衍射峰有顯著增強，而沒有(110)晶面的衍 射峰出現；同樣在平行于磁場的截面上多晶紅寶石的(110)晶面的衍射峰很 強，而沒有(006)晶面的衍射峰出現。
將上述所得的多晶紅寶石加工成厚度為0.03mm的薄片，在正交偏光顯 微鏡下觀察。對于平行于磁場方向的薄片，正交偏光下360°轉動載,臺薄 片出現4次消光，并且60%以上的晶粒在旋轉至同一角度消光，說明部分光 軸具有擇優(yōu)取向。 實施例3
所用氧化鋁粉的平均粒徑為0. 15 " m，純度為99. 99% 。將5000g氧化 鋁粉、92.6g濃度為10wtX的硝酸鈦溶液與1500g水混合攪拌?；旌暇鶆蚝?烘干，然后加熱至50(TC煅燒，得到含有0.05wtXTi02的氧化鋁粉。將所得 粉體用氧化鋁研缽研磨后待用。
將上述含有Ti02的150g氧化鋁粉與50 g濃度為15 wt^的丙三醇縮水 甘油醚混合，同時加入lml聚丙烯酸銨作為分散劑，球磨2小時后，再用超 聲波分散30分鐘，得到分散均勻的懸浮液。
在上述懸浮液中加入2. 5 ml 二丙三胺后，立即抽真空出去其中的氣泡，并且在抽真空的同時進行攪拌。2 — 5分鐘后，將上述除過氣泡的混合漿料注
入不銹鋼模具中，連同模具一同放入20T的磁場中靜置。2小時后取出模具，脫模得到濕的坯體。將濕坯烘干后，緩慢加熱至130(TC，除去其中的有機物同時獲得95%以上的致密度，最后在1275°C、 200MPa的熱等靜壓爐中燒制3小時。最終得到摻Ti的淡藍色的多晶氧化鋁透明陶瓷(或者叫作摻Ti多晶藍寶石)。
按照實施例1中的測試方法測得在650nm處的直線透過率為72%。將上述所得的摻Ti多晶藍寶石用X射線衍射分析?？梢钥闯鲈诖怪庇?br> 磁場的截面上多晶藍寶石的(006)晶面的衍射峰有顯著增強，而(110)晶面的
衍射峰強度非常弱(類似于圖2)。
對于平行于磁場方向的薄片，在正交偏光顯微鏡下，360°轉動載物臺
薄片出現4次消光，并且80%以上的晶粒在旋轉至同一角度消光，說明部分
光軸具有擇優(yōu)取向。
實施例4
原料及懸浮液的配置方法同實施例1 。
采用電泳沉積法成型，平板狀電極水平放置，磁場方向與電極板垂直，大小為14T。成型以后的燒制步驟同實施例1，測試方法同實施例l。
所得樣品在650nm處的直線透過率為76%,垂直于磁場的截面上多晶氧化鋁的(006)晶面的衍射峰有顯著增強，而(110)晶面的衍射峰強度非常弱(類似于圖2)。
對于平行于磁場方向的薄片，在正交偏光顯微鏡下，360°轉動載物臺薄片出現4次消光，并且70%以上的晶粒在旋轉至同一角度消光，說明部分光軸具有擇優(yōu)取向。
權利要求
1、一種具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷，其特征在于所述的多晶氧化鋁透明陶瓷的全部或部分晶粒的光軸沿同一方向排列。
2、 按權利要求1所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷，其特征在 于所述的光軸沿同一方向排列是通過大于IT強磁場，使氧化鋁懸浮液中氧化 鋁顆粒的C軸趨向于沿平行于磁場方向排列取向。
3、 按權利要求2所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷，其特征在 于所述的強磁場為10T — 20T。
4、 按權利要求2所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷，其特征在 于在垂直于磁場的截面上，多晶氧化鋁陶瓷的(006)晶面的衍射峰顯著增強， 而沒有(110)晶面衍射峰出現。
5、 制備如權利要求1所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷方法， 其特征在于工藝步驟是a) 首先配制分散的氧化鋁懸浮液漿料，所述的懸浮液含燒結助劑以及分 散劑；b) 將步驟a配制的漿料注入放置于強磁場中的吸漿模具中成型，漿料中 的Al203顆粒逐漸在模具表面形成一層濕坯，在磁場作用下使A1A粉體的晶 粒的C軸在平行磁場方向擇優(yōu)取向；c) 成型后，漿模具連同A1A陶瓷濕坯從磁場中取出并脫模，然后坯體 烘干在800 — 120(TC煅燒，除去有機物；d) 最后在1750 — 190(TC氫氣爐中燒成。
6、 按權利要求5所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷的制備方 法，其特征在于所述的燒結添加劑為MgO。
7、 按權利要求5所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷的制備方 法，其特征在于所述的分散劑為聚丙烯酸銨。
8、 按權利要求5所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷的制備方 法，其特征在于成型方法為石膏模注漿成型、壓力注漿、凝膠燒注或電泳沉 積中一種。
9、 按權利要求1所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷，其特征在 于用作光學鏡頭、透明窗口；且線透過率在650皿處達50%以上，最高達76%。
10、 按權利要求l所述的具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷，其特征 在于摻Cr或Ti離子的擇優(yōu)定向的多晶氧化鋁透明陶瓷作為激光介質材料或 閃爍介質材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有擇優(yōu)取向的多晶氧化鋁透明陶瓷及其制備方法。其特征在于多晶氧化鋁透明陶瓷的全部或者部分晶粒的光軸沿同一方向排列，從而避免或者減小了光線在相鄰晶粒之間的雙折射，進而大幅度提高了直線透過率。將充分分散的氧化鋁漿料置于強磁場中成型，得到具有擇優(yōu)取向的素坯，再經過合適的燒結工藝最終得到上述多晶氧化鋁透明陶瓷。本發(fā)明的多晶氧化鋁透明陶瓷可用作為光學鏡頭以及透明窗口，摻Cr或者Ti的多晶氧化鋁透明陶瓷還可用于激光介質材料或者閃爍介質材料。
文檔編號C04B35/115GK101468915SQ20071017311
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月26日 優(yōu)先權日2007年12月26日
發(fā)明者島井駿藏, 毛小建, 王士維 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所