專利名稱：一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷材料及制備方法，具體的說(shuō)是在氫氣氣氛中采用低溫?zé)Y(jié)エ藝，制備細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
自從1962年coble發(fā)表了第一個(gè)透明氧化鋁陶瓷的專利US3026210以來(lái)，透明氧化鋁陶瓷就一直是研發(fā)的熱點(diǎn)。因透明氧化鋁陶瓷在常規(guī)的氫氣或真空燒結(jié)過(guò)程中，由于燒結(jié)溫度大于1700°C，甚至超過(guò)1900°C，所以晶粒尺寸通常達(dá)到幾十微米甚至更高。一方面導(dǎo)致材料的力學(xué)強(qiáng)度降低，通常氣氛燒結(jié)或真空燒結(jié)的透明陶瓷件的彎曲強(qiáng)度小于300MPa ;另一方面，材料的直線透光率小于20%，遠(yuǎn)不能適用于對(duì)材料光學(xué)和力學(xué)性能要求較高的領(lǐng)域，如陶瓷金鹵燈、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備中關(guān)鍵部件等。而且高的燒結(jié)溫度和控溫精度對(duì)燒結(jié)設(shè)備的要求非常高，設(shè)備的投入和損耗比較大。在目前細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷的研究中，側(cè)重于特殊的燒結(jié)エ藝使用，如熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)。如專利EP1053983采用在196MPa壓カ下于1150°C熱等靜壓燒結(jié)，制備了直線透過(guò)率大于50%且晶粒尺寸小于I微米的透明氧化鋁陶瓷。申請(qǐng)?zhí)枮?00910055361的專利采用在IOOMPa外加壓カ下于1350°C放電等離子燒結(jié)的エ藝，獲得晶粒尺寸為I. 8微米的直線透過(guò)率為50-60%之間的透明氧化鋁陶瓷。雖然特殊燒結(jié)エ藝可獲得細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷，并大幅降低透明氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，但存在以下問(wèn)題1，設(shè)備投資成本極高，如熱等靜壓燒結(jié)設(shè)備非常昂貴，成本非常高，難以推廣應(yīng)用；2，對(duì)于放電等離子燒結(jié)，雖然可以實(shí)現(xiàn)快速的升溫，有利于控制晶粒的快速長(zhǎng)大，但由于升溫較快，保溫時(shí)間比較短，氣孔的完全排出比較困難，而且受到設(shè)備本身或模具的限制，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)大型異形透明氧化鋁陶瓷件的燒結(jié)，限制了產(chǎn)品的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷材料及制備方法，解決了常規(guī)氫氣燒結(jié)面臨的晶粒粗大、直線透光率低的問(wèn)題，同時(shí)制備的透明氧化鋁陶瓷的力學(xué)性能也得到了提升，具有高強(qiáng)度、高致密度、及耐鹵素等離子腐蝕等優(yōu)秀性能，適合于高溫觀察窗、金屬鹵素?zé)艄?、半?dǎo)體設(shè)備中的腔室部件等。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是提供一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷，它含有質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為99. 6 99. 98%的Al2O3和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為O. 02 O. 4%的MgO、ZrO2和La2O3,所述的陶瓷晶粒尺寸介于O. 8至I. 5微米，并在640納米處直線透光率大于37%。所述陶瓷體相對(duì)密度大于99. 9%，彎曲強(qiáng)度為650MPa，維氏硬度為17GPa。為完成上述的細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷，其制備方法包括以下步驟
(I)制備漿料將99. 6 99. 98份的純度為99. 99%的Al2O3粉末、O. 01 O. 2份的MgO、
O.005、. I份的Zr02、0. 005、. I份的La2O3放入球磨機(jī)中，加入去離子水和氧化鋁磨球，使用硝酸溶液調(diào)節(jié)PH至2飛，再加入O. 5^2份的Dolapix CE64作為分散劑，進(jìn)行滾筒球磨1(Γ24小吋，制備固體含量為7(Γ80%的漿料；將球磨后的漿料加入O. 2^0. 6份的聚こ烯醇，繼續(xù)球磨3 12小時(shí)，獲得均勻分散的漿料；
(2)噴霧造粒將此漿料進(jìn)行噴霧干燥，獲得造粒粉的平均粒徑為70-100微米；
(3)生坯成型將Al2O3造粒粉進(jìn)行冷等靜壓成型，成型壓カ為10(T200MPa，其生坯密度為理論密度的55% 60% ；
(4)燒結(jié)然后把生坯放入氫氣燒結(jié)爐中，采用低溫?zé)Y(jié)的エ藝曲線；
(5)表面加工處理將燒結(jié)體進(jìn)行平面研磨和表面拋光處理。進(jìn)ー步，所述步驟(I)中使用的Al2O3粉末純度大于99. 99%，粉末粒徑約為150 200納米，比表面積為12 14 m2/g ;加入O. 01 O. 2份的MgO,O. 005 O. I份的ZrO2和O. 005 O. I份的La2O3的燒結(jié)助劑；使用O. 5^2份有機(jī)分散劑Dolapix CE64。更進(jìn)一歩，所述步驟(4)的低溫?zé)Y(jié)エ藝為將造粒后的Al2O3粉末放入氫氣燒結(jié)爐中，以2-3°C /min的升溫速度先升至1100°C，保溫3_4小時(shí)，后以I. 5-2°C /min的升溫速度升至1300°C，再以3°C /min的速度降至1150°C，保溫48小時(shí)，再降至室溫。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所使用的Al2O3粉末純度大于99. 99%，粉末粒徑約為150 200納米，比表面積為12 14m2/g。米用的低溫氫氣氣氛燒結(jié)エ藝，即在氫氣氣氛燒結(jié)中，燒結(jié)溫度不超過(guò)1300°C，另外本發(fā)明制備的透明氧化鋁陶瓷的平均晶粒尺寸介于
O.8^1. 5微米，在波長(zhǎng)為640納米時(shí)材料的直線透光率大于30%，甚至可以達(dá)到大于40%的直線透光率，晶粒尺寸均勻，并無(wú)晶粒的異常長(zhǎng)大現(xiàn)象。且本發(fā)明的透明陶瓷體的相對(duì)密度大于99. 9%，維氏硬度17GPa，彎曲強(qiáng)度為650MPa，突破了常規(guī)氫氣或真空條件下透明陶瓷彎曲強(qiáng)度小于300MPa現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的提升。


圖I是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中透明氧化鋁陶瓷在掃描電鏡下的顯微結(jié)構(gòu)；
圖2是本發(fā)明一較佳實(shí)施例所制備樣品在200納米至1000納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)直線透過(guò)率曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。本發(fā)明制備細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷ー較佳實(shí)施例的操作步驟如下
Cl)制備漿料將99. 91份的純度為99. 99%的Al2O3粉末、O. 07份的Mg0、0. 01份的Zr02、0. 01份的La2O3放入球磨機(jī)中，加入去離子水和氧化鋁磨球，使用硝酸溶液調(diào)節(jié)PH至4，再加入I. 5份的Dolapix CE64作為分散劑，進(jìn)行滾筒球磨24小時(shí)，制備固體含量為7(Γ80%的漿料；將球磨后的漿料加入O. 5份的聚こ烯醇，繼續(xù)球磨3 12小時(shí)，獲得均勻分散的漿料； (2)噴霧造粒將此漿料進(jìn)行噴霧干燥，獲得造粒粉的平均粒徑為100微米；
(3)生坯成型將Al2O3造粒粉進(jìn)行冷等靜壓成型，成型壓カ為200MPa，其生坯密度約為理論密度的60% ；
(4)燒結(jié)然后把生坯放入氫氣燒結(jié)爐中，采用低溫?zé)Y(jié)的エ藝曲線；(5)表面加工處理將燒結(jié)體進(jìn)行平面研磨和表面拋光處理。氫氣燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)曲線為以2°C/min的升溫速度先升至1100°C，保溫3-4小時(shí)，后以I. 5°C /min的升溫速度升至1300°C，再以3°C /min的速度降至1150°C，保溫48小時(shí)，再降至室溫。燒結(jié)后的透明氧化鋁陶瓷進(jìn)行平面研磨和表面拋光處理。本實(shí)施例得到的透明氧化鋁陶瓷的相對(duì)密度達(dá)到99.9%，晶粒尺寸范圍為
O.8 1.5微米，如圖1所示，彎曲強(qiáng)度為6501^，維氏硬度為17GPa。在波長(zhǎng)為640納米達(dá)到 37%，在波長(zhǎng)為1000納米時(shí)最大達(dá)到48%，且可見(jiàn)光波段直線透過(guò)率隨波長(zhǎng)變化很小，如圖2所示。本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技木采用冷等靜壓成型和低溫氫氣氣氛燒結(jié)的燒結(jié)エ藝，而非采用熱等靜壓燒結(jié)、微波燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)這些エ藝，制備細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷。與高直線透光率的細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷的相關(guān)技術(shù)比較而言，雖然本發(fā)明采用的低溫氫氣燒結(jié)エ藝制備的透明氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸未能達(dá)到亞微米級(jí)別，但是本發(fā)明使用常規(guī)的氫氣燒結(jié)エ藝，在較低的溫度下(最高燒結(jié)溫度不超過(guò)1300°C )，制備的透明氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸介于O. 8^1. 5微米之間，且直線透過(guò)率大于30%。與傳統(tǒng)的氣氛燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等エ藝而言，本發(fā)明采用的氫氣燒結(jié)エ藝，即在獲得較高的致密度后，再降低溫度至臨界溫度，利用此溫度下晶界生長(zhǎng)受阻，而晶界擴(kuò)散活躍的特點(diǎn)，在此溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫，來(lái)獲得細(xì)晶高致密度的透明氧化鋁陶瓷。而且本發(fā)明的配方中添加的燒結(jié)助劑ZrO2和La2O3在晶界處形成的充分彌散的第二相，對(duì)晶界形成了釘扎作用，阻礙晶界生長(zhǎng)，起到抑制晶粒長(zhǎng)大的作用。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷，其特征在于它含有質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為99. 6 99. 98%的Al2O3和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0. 02 0. 4%的MgO、ZrO2和La2O3，所述的陶瓷晶粒尺寸介于0. 8至I.5微米，并在640納米處直線透光率大于37%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷，其特征在于所述陶瓷體相對(duì)密度大于99. 9%，彎曲強(qiáng)度為650MPa，維氏硬度為17GPa。
3.—種制造權(quán)利要求I所述的細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于它包括以下步驟 (1)制備漿料將99.6 99. 98份的純度為99. 99%的Al2O3粉末、0. 01 0. 2份的MgO、0.005、. I份的Zr02、0. 005、. I份的La2O3放入球磨機(jī)中，加入去離子水和氧化鋁磨球，使用硝酸溶液調(diào)節(jié)PH至2 4，再加入0. 5^2份的Dolapix CE64作為分散劑，進(jìn)行滾筒球磨10^24小時(shí)，制備固體含量為7(T80%的漿料；將球磨后的漿料加入0. 2^0. 6份的聚乙烯醇，繼續(xù)球磨3 12小時(shí)，獲得均勻分散的漿料； (2)噴霧造粒將此漿料進(jìn)行噴霧干燥，獲得造粒粉的平均粒徑為70-100微米； (3)生坯成型將Al2O3造粒粉進(jìn)行冷等靜壓成型，成型壓力為10(T200MPa，其生坯密度為理論密度的55% 60% ； (4)燒結(jié)然后把生坯放入氫氣燒結(jié)爐中，采用低溫?zé)Y(jié)的工藝曲線； (5)表面加工處理將燒結(jié)體進(jìn)行平面研磨和表面拋光處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中使用的Al2O3粉末純度大于99. 99%，粉末粒徑約為150 200納米，比表面積為12 14m2/g。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中加入0. oro. 2份的Mg0、0. 005^0. I份的ZrO2和0. 005、. I份的La2O3的燒結(jié)助劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中使用0. 5^2份有機(jī)分散劑Dolapix CE64。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(4)的低溫?zé)Y(jié)工藝為將造粒后的Al2O3粉末放入氫氣燒結(jié)爐中，以2-3°C /min的升溫速度先升至1100°C，保溫3-4小時(shí)，后以I. 5-20C /min的升溫速度升至1300°C，再以3°C /min的速度降至1150°C,保溫48小時(shí),再降至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷材料及制備方法，其配方組成中含有質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為99.6～99.98%的Al2O3和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.02～0.4%的MgO、ZrO2和La2O3，所述的陶瓷晶粒尺寸介于0.8至1.5微米，并在640納米處直線透光率大于37%。在使用高純氧化鋁粉末，利用冷等靜壓成型，然后在氫氣氣氛下燒結(jié)，先將溫度升至1300℃，而后降至1150℃，進(jìn)行保溫。通過(guò)上述方式，本發(fā)明具有高致密度、優(yōu)秀的力學(xué)性能和較高的直線透過(guò)率，適用于陶瓷金鹵燈燈管、半導(dǎo)體設(shè)備關(guān)鍵部件和高溫觀察窗等。
文檔編號(hào)C04B35/115GK102627450SQ20121011762
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者劉先兵, 莊蘇偉 申請(qǐng)人:蘇州珂瑪材料技術(shù)有限公司