專利名稱：一種透明氧化鋁陶瓷的制造方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高性能透明氧化鋁陶瓷制 備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種透明氧化鋁陶瓷 的制造方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
透明氧化鋁陶瓷最大的特點(diǎn)是對(duì)可見(jiàn)光和紅外光具有良好的透過(guò)性，具有高溫強(qiáng) 度大、耐熱性好、耐腐蝕性強(qiáng)、電絕緣好、熱導(dǎo)率高的優(yōu)點(diǎn)。因此，可用做陶瓷金鹵燈管殼、透 明陶瓷裝甲、高溫紅外探測(cè)窗材料、熔制特種玻璃的坩堝和集成電路基片材料等。透明氧化鋁陶瓷的制備一般需要加入少量的添加劑。一方面，這些添加劑離子固 溶在主晶相中，依靠晶格畸變，促進(jìn)晶內(nèi)和晶間氣孔的排出；另一方面，依靠添加劑在燒結(jié) 過(guò)程中產(chǎn)生的液相來(lái)降低燒結(jié)溫度或者通過(guò)某些添加劑的引入來(lái)抑制晶粒的過(guò)分長(zhǎng)大，縮 短晶內(nèi)氣孔的擴(kuò)散路程，從而有利于致密化，得到透光性好的透明陶瓷。然而，傳統(tǒng)的添加 劑引入方式一般采用濕混球磨，這種方法容易產(chǎn)生添加劑分散不均勻的現(xiàn)象，使得沒(méi)有添 加劑的區(qū)域因?yàn)闆](méi)有的足夠的添加劑抑制晶粒生長(zhǎng)。而工業(yè)上制備透明陶瓷最常用的方 法氣氛燒結(jié)，所使用的溫度較高，會(huì)導(dǎo)致晶粒劇烈長(zhǎng)大，并阻礙氣孔的排除；而添加劑含量 過(guò)高的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)第二相析出。這些氣孔和第二相與主晶相的折射率差別很大(Nn= 1， NAl2O3 = 1.768)，于是形成光的散射中心，從而大大降低了氧化鋁陶瓷的透光性。例如，在 Al2O3中引入MgO，由于MgO的不均勻分布，造成局部偏析，在晶界處析出第二相(MgAl2O4), 形成光的散射中心，反而降低了氧化鋁陶瓷的透光性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服濕混球磨的方法帶來(lái)的不足，本發(fā)明首次采用化學(xué)異質(zhì)形核沉淀的方法 引入添加劑，使添加劑離子以氧化鋁粉為異質(zhì)形核中心，均勻地包覆在氧化鋁粉體表面，形 成具有“殼_核”復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米粉體。本發(fā)明提供一種透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于該方法步驟如下(一 )首先制備具有“殼_核”復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米粉體，步驟如下(1)將氧化鋁粉體和添加劑溶于乙醇中，并加入分散劑，超聲振蕩至分散均勻，實(shí) 現(xiàn)氧化鋁粉體充分地分散并且使添加劑離子均勻地分散在懸浮液中；(2)然后在不斷攪拌的條件下，向分散均勻的懸濁液中以(1 5)mL/min的速率滴 加弱堿性溶液，以形成添加劑離子的沉淀，此時(shí)必須嚴(yán)格地控制滴加速率，以保證沉淀物以 氧化鋁顆粒為形核中心，以異質(zhì)形核沉淀而不是均勻沉淀的方式進(jìn)行，當(dāng)PH值為8 9時(shí) 停止滴加弱堿性溶液，繼續(xù)攪拌，優(yōu)選攪拌1 3h，以使得沉淀反應(yīng)均勻充分；(3)再將得到的懸濁液經(jīng)過(guò)濾、醇洗、烘干，得到納米粉體；(二)將所得納米粉體經(jīng)成型后燒結(jié)；(三)燒結(jié)的陶瓷片經(jīng)雙面拋光處理，得到透明氧化鋁陶瓷。同時(shí)，本發(fā)明給出了優(yōu)選的氧化鋁粉體和添加劑的比例關(guān)系，步驟(一)第(1)步中，添加劑的用量以其所含金屬元素的氧化物計(jì)，占氧化鋁粉體和添加劑所含金屬元素的氧化物總重量的0. 01 0. 10%。所述氧化鋁粉體優(yōu)選高純超細(xì)活性α-氧化鋁粉，平均粒徑為亞微米級(jí)，純度 ≥ 99. 9%。所述添加劑為含鈰、鑭、釷或鋯元素離子的磷酸鹽、硝酸鹽和硅酸鹽中的一種或幾 種的組合。所述的弱堿性溶液優(yōu)選有機(jī)胺類、尿素、氨水、乙醇鈉、乙酸鈉中的至少一種物質(zhì) 配制的溶液。弱堿性溶液的濃度對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大，可采用各種濃度的弱堿性溶液。所述分散劑為正丁醇、異丙醇或分子量為400 2000的聚乙二醇等醇類分散劑。 所述分散劑的加入量為0. 5 2. Owt %時(shí)，能達(dá)到最好的分散效果，使得異質(zhì)形核順利進(jìn) 行。分散劑的加入量為0. 5 2. 0襯％是指分散劑的加入量為氧化鋁粉體和添加劑總重量 的 0. 5 2. 0wt%。所述燒結(jié)優(yōu)選采用如下工藝首先采用無(wú)壓燒結(jié)進(jìn)行預(yù)燒，升溫速率為3 4°C / min，燒結(jié)溫度為1000 1200°C，保溫1 3h;然后采用真空或還原氣氛(氫氣氣氛)燒結(jié)， 燒結(jié)溫度為1700 1900°C，優(yōu)選的溫度為1750 1850°C，保溫時(shí)間為1 3h。該燒結(jié)工 藝成本低廉，得到的制品透光率高。本發(fā)明方法制造的透明氧化鋁陶瓷可用于制作牙樁制品。本發(fā)明的有益效果為該方法采用化學(xué)異質(zhì)形核沉淀的方法引入添加劑，使添加 劑離子以氧化鋁粉為異質(zhì)形核中心，均勻地包覆在氧化鋁粉體表面，形成具有“殼_核”復(fù) 合結(jié)構(gòu)的納米粉體；所得納米粉體經(jīng)成型和燒結(jié)后，雙面拋光處理，得到透明氧化鋁陶瓷。本發(fā)明的添加劑包覆在氧化鋁粉體的表面形成納米級(jí)包覆層，燒結(jié)后最終在納米 尺度上均勻分散于氧化鋁基體中，達(dá)到了對(duì)晶粒生長(zhǎng)很好的抑制效果。本發(fā)明成功的解決了濕混球磨的方法帶來(lái)的不足，最終制備出添加劑顯微結(jié)構(gòu)更 加細(xì)小均勻，透光性更好的透明氧化鋁陶瓷。所制的透明氧化鋁陶瓷在波長(zhǎng)在300 SOOnm 時(shí)的直線透光率約為35 43%。


圖1為異質(zhì)形核沉淀與濕混球磨制品斷面微觀形貌對(duì)比；其中，(a)異質(zhì)形核沉淀 SEM斷面(二次電子像)，(b)濕法混合球磨SEM斷面(二次電子像)，(c)異質(zhì)形核沉淀 SEM斷面(背散射像)，(d)濕法混合球磨SEM斷面(背散射像)；圖2為異質(zhì)形核沉淀與濕混球磨制品直線透光率對(duì)比；圖3為異質(zhì)形核沉淀與濕混球磨燒結(jié)制品對(duì)比；其中，(a)為濕法混合球磨制品； (b)為異質(zhì)形核沉淀制品。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)比例以工業(yè)上常用的濕混球磨作為對(duì)比，實(shí)施工藝如下將氧化鋁粉和 100-1000ppm添加劑溶于乙醇中，加入1. 5%的聚乙二醇為分散劑，采用濕法球磨6h(轉(zhuǎn)速 300r/min)，然后烘干得到粉體。
實(shí)施例1采用平均粒徑為0. 35 μ m、純度為99. 98 %的α -Al2O3。將IOOg氧化鋁粉和 0. 09gLa2 (CO3) 3 · 8Η20、0· 22gZr (NO3) 4 溶于乙醇中，加入 1. 5wt%^ PEG-400 為分散劑，并超 聲振蕩至分散均勻。然后將均勻分散的懸濁液在不斷磁力攪拌的條件下，以2mL/min的速 率的滴加氨水(0. 04mol/L)，形成添加劑離子的沉淀，嚴(yán)格的控制滴加的速度，最終調(diào)節(jié)pH 值為8. 1，保持磁力攪拌1. 5h，使得期沉淀反應(yīng)均勻充分。 將得到的懸濁液過(guò)濾、洗滌(醇洗)、烘干，得到的粉體經(jīng)造粒后干壓和等靜壓形 成粗坯，首先采用無(wú)壓燒結(jié)進(jìn)行預(yù)燒，升溫速率為3°C/min，燒結(jié)溫度為1150°C，保溫2h。然 后采用真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1750°C，時(shí)間為3h。燒結(jié)的陶瓷片經(jīng)雙面拋光處理，最終得到 高透光率的透明氧化鋁陶瓷。圖3為異質(zhì)形核沉淀與濕混球磨燒結(jié)制品對(duì)比。圖1為本實(shí)施例異質(zhì)形核沉淀與濕混球磨制品斷面微觀形貌對(duì)比；圖2為本實(shí)施 例異質(zhì)形核沉淀制備的產(chǎn)品與對(duì)比例濕混球磨制品的直線透光率對(duì)比；從圖中可以看出異 質(zhì)形核沉淀制備的產(chǎn)品在300 SOOnm時(shí)的直線透光率約為35 43%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濕混球磨 制品的直線透光率。實(shí)施例2采用平均粒徑為0. 4 μ m、純度為99. 99 %的α -Α1203。將IOOg氧化鋁粉和 0. 18gCe (N03) 3 · 6H20、0. 09gThCl4溶于乙醇中，加入0. IOwt %的異丙醇為分散劑，并超聲振 蕩至分散均勻。然后將均勻分散的懸濁液在不斷磁力攪拌的條件下，以5mL/min的速率緩 慢的滴加乙酸鈉(0.05mol/L)，形成添加劑離子的沉淀，嚴(yán)格的控制滴加的速度，最終調(diào)節(jié) PH值為8. 9，保持磁力攪拌2h，使得期沉淀反應(yīng)均勻充分。將得到的懸濁液過(guò)濾、洗滌(醇洗)、烘干，得到的粉體經(jīng)注射成型和熱脫脂40h得 到坯體，首先采用無(wú)壓燒結(jié)進(jìn)行預(yù)燒，升溫速率為4°C /min，燒結(jié)溫度為1200°C，保溫1. 5h。 然后采用氫氣氣氛燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1850°C Xlh。燒結(jié)的陶瓷片經(jīng)雙面拋光處理，最終得 到高透光率的透明氧化鋁陶瓷。以上方法制造的透明氧化鋁陶瓷可用于制作牙樁制品。
權(quán)利要求
1.一種透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于該方法采用化學(xué)異質(zhì)形核沉淀的方 法引入添加劑，使添加劑離子以氧化鋁粉為異質(zhì)形核中心，均勻地包覆在氧化鋁粉體表面， 形成具有“殼-核”復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米粉體；所得納米粉體經(jīng)成型和燒結(jié)后，制備出透明氧化 鋁陶瓷。
2.一種透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于該方法步驟如下(一)首先制備具有“殼-核”復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米粉體，步驟如下(1)將氧化鋁粉體和添加劑溶于乙醇中，并加入分散劑，超聲振蕩至分散均勻；(2)然后在不斷攪拌的條件下，向分散均勻的懸濁液中以(1 5)mL/min的速率滴加弱 堿性溶液，當(dāng)溶液PH值為8 9時(shí)停止滴加弱堿性溶液，繼續(xù)攪拌，以使得沉淀反應(yīng)均勻充 分；(3)再將得到的懸濁液經(jīng)過(guò)濾、醇洗、烘干，得到納米粉體；(二)將所得納米粉體經(jīng)成型后燒結(jié)；(三)燒結(jié)的陶瓷片經(jīng)雙面拋光處理，得到透明氧化鋁陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于步驟(一)第⑴ 步中，添加劑的加入量以其所含金屬元素的氧化物計(jì)，占氧化鋁粉體和添加劑所含金屬元 素的氧化物總重量的0. 01 0. 1%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于所述氧化鋁粉體 為高純超細(xì)活性α -氧化鋁粉，平均粒徑為亞微米級(jí)，純度> 99. 9%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于所述添加劑為含 鈰、鑭、釷或鋯元素離子的磷酸鹽、硝酸鹽和硅酸鹽中的一種或幾種的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于所述的弱堿性溶 液為有機(jī)胺類、尿素、氨水、乙醇鈉、乙酸鈉中的至少一種物質(zhì)配制的溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于所述分散劑為正 丁醇、異丙醇或分子量為400 2000的聚乙二醇。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于所述分散劑的加 入量為氧化鋁粉體和添加劑總重量的0. 5 2. 0wt%。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明氧化鋁陶瓷的制造方法，其特征在于所述燒結(jié)采用 如下工藝首先采用無(wú)壓燒結(jié)進(jìn)行預(yù)燒，升溫速率為3 4°C /min，燒結(jié)溫度為1000 1200°C，保溫1 池，然后采用真空或還原氣氛燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700 1900°C，保溫時(shí)間 為1 3h。
10.權(quán)利要求1至9任意一個(gè)權(quán)利要求所述方法制造的透明氧化鋁陶瓷在牙樁制品方 面的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于高性能透明氧化鋁陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域的一種透明氧化鋁陶瓷的制造方法。該方法采用化學(xué)異質(zhì)形核沉淀的方法引入添加劑，使添加劑離子以氧化鋁粉為異質(zhì)形核中心，均勻地包覆在氧化鋁粉體表面，形成具有“殼-核”復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米粉體；所得納米粉體經(jīng)成型和燒結(jié)后，制備出透明氧化鋁陶瓷。本發(fā)明的添加劑包覆在氧化鋁粉體的表面形成納米級(jí)包覆層，燒結(jié)后最終在納米尺度上均勻分散于氧化鋁基體中，達(dá)到了對(duì)晶粒生長(zhǎng)很好的抑制效果。本發(fā)明成功的解決了濕混球磨的方法帶來(lái)的不足，最終制備出添加劑顯微結(jié)構(gòu)更加細(xì)小均勻，透光性更好的透明氧化鋁陶瓷。所制的透明氧化鋁陶瓷在波長(zhǎng)在300～800nm時(shí)的直線透光率約為35～43％。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102093038SQ201010581759
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者劉偉, 薄鐵柱, 謝志鵬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)