專利名稱：一種氧化鋁多晶料塊的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋁多晶料塊的制備方法，屬于特種陶瓷制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
白光發(fā)光二極管(LED)自實現(xiàn)商業(yè)化以來，以其無污染、體積小、功耗低和可靠性高等優(yōu)點，正掀起照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一場照明光源革命。1991年，氮化鎵(GaN)基藍光LED的問世又為實現(xiàn)LED白光照明開辟了新途徑。根據(jù)三基色原理，將GaN所發(fā)的藍光與可被藍光激發(fā)而發(fā)射黃光的熒光材料進行組合，兩者疊加可形成白光，從而實現(xiàn)白光照明。GaN基LED也因此得到了迅速發(fā)展，成為應用最為廣泛的發(fā)光半導體材料。目前，用于LED的GaN基材料和器件主要是通過薄膜工藝在襯底上生長出外延層的方式獲得。其所用襯底材料包括藍寶石(a -Al2O3)、SiC、S1、ZnO和GaN等，但迄今為止只有藍寶石和SiC這兩種襯底得到了較大規(guī)模的商業(yè)化應用，其中又以藍寶石襯底的應用最為廣泛。這是因為藍寶石作為襯底材料具有許多優(yōu)點:制造技術(shù)相對成熟，價格適中；化學穩(wěn)定性高，能夠運用在高溫外延生長過程中；機械強度高，易于處理和清洗，對可見光的透光性好。因此，大多數(shù)薄膜外延生長工藝一般都以藍寶石作為襯底。為獲得用于GaN外延生長的襯底級藍寶石晶體，通常以高純氧化鋁餅料(其純度一般要達到5N級，S卩99.999%)作為生長藍寶石的基本原料。之所以不直接采用粉狀原料，一是因為蓬松的粉料對生長藍寶石單晶所用坩堝的填充率太低，單爐產(chǎn)量小，影響生產(chǎn)效率和成本；二是粉狀原料易飛揚，對單晶爐的高真空系統(tǒng)不利。因此在生長藍寶石晶體前，需先將氧化鋁粉料壓制并燒結(jié)成塊狀料。隨著LED照明成為各國大力提倡并重點扶持的節(jié)能項目，作為其最上游的藍寶石單晶的需求量也高速增長。藍寶石的生長不斷朝大尺寸方向邁進，單顆晶體規(guī)格已從最初的20kg、30kg,向60kg、80kg乃至IOOkg以上超大晶體發(fā)展。在這一大背景下， 各藍寶石生產(chǎn)廠家對高密度氧化鋁餅料的訴求愈發(fā)強烈。因為所用氧化鋁餅料的密度越大，就意味著對坩堝的一次最大填充率越大(即同尺寸坩堝中可填入更多的原料)，在不改變單晶爐原有配置的條件下就可以生長出更大的單顆晶體，相應的生產(chǎn)效率更高、成本更低，同時也增大了單片襯底的尺寸和成品率，從而在未來的市場競爭中獲得價格優(yōu)勢，占得先機。然而現(xiàn)今國產(chǎn)氧化鋁多晶餅塊料通常是采用鋼模具以干壓成型的方式制得，燒成密度不高(密度為3.2 3.6 g/cm3,只有a_Al203理論密度的80% 90%，通常在85%左右)。采用這樣密度的a-Al203多晶餅塊料來生長藍寶石單晶，對坩堝的一次最大填充率僅有60%左右，設(shè)備的利用率明顯不足，使得生產(chǎn)成本提高。此外，該類餅料還存在著諸如最大尺寸受模具所限，壓制過程易引入二次污染(主要來自模具中的Fe、Cr元素)等問題，產(chǎn)品純度一般都達不到5N，并最終影響藍寶石晶體的質(zhì)量。另一方面，餅料成型工藝中所用a-Al203粉粒的尺寸也影響著氧化鋁餅料的密度和成型性。以目前國內(nèi)外制備5N級氧化鋁粉體的主流方法——醇鹽水解法為例，雖然以該方法制得的粉料純度可達99.999%，完全能夠滿足高質(zhì)量襯底級藍寶石長晶的要求，但醇鋁法最后是由Al (OH)3經(jīng)高溫煅燒轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Al203，所得的a-Al203粉體顆粒較大(微米級)，顆粒間空隙多，不易填實模具，成型后的餅料密度小。并且由于其顆粒間結(jié)合力小，在不加粘結(jié)劑的條件下成型困難，生坯強度低，易碎裂，尤其難于獲得大尺寸的產(chǎn)品。若將其加工成更細的粉料，則在增加生產(chǎn)成本的同時，還將面臨粉料在加工過程中被污染等一系列問題，并最終影響餅塊料的質(zhì)量和密度。綜上所述，為提高氧化鋁餅塊料密度及保證產(chǎn)品的質(zhì)量，對所用氧化鋁粉料的粒徑進行選擇，并改進現(xiàn)有餅料成型工藝勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋁多晶料塊的制備方法，能夠提高現(xiàn)有氧化鋁餅塊料密度，以提高藍寶石生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，同時避免在餅料生產(chǎn)過程中發(fā)生原料粉體二次污染、餅料坯體開裂等問題。本發(fā)明構(gòu)思如下:
為獲得上述a-Al203多晶塊料，首先通過計算確定所用粉體原料顆粒間尺寸之比及所占數(shù)量比例關(guān)系。計算時先以一種具有較大粒徑的粉料作為主體顆粒，將該粉料看作直徑為其平均粒徑的球體并作簡立方、體心立方或面心立方密堆積，得出存在的空隙率；再計算出填入該密堆空隙所需的另一種或兩種填隙粉料(也以球體來表示)的最大尺寸及相對數(shù)量(如圖1-圖3所示)?？紤]到該模型為理想狀態(tài)下的理論最密堆積情況，實際操作中粉粒不可能完全照此方式排列，且任何一種粉料本身都具有一定的粒度分布，因此根據(jù)實驗所得結(jié)果對上述理論值進行了一定修正。為達到上述目的，根據(jù)以上發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種氧化鋁多晶料塊的制備方法，具有以下的工藝過程和步驟:
a.以兩種或三種使用醇鋁法生產(chǎn)的99.999%的商業(yè)高純a_Al203粉料為起始原料，當采用兩種粒徑粉料配比時，主 體顆粒粉料與填隙顆粒粉料的平均粒徑之比為1:0.n:
0.2，質(zhì)量比在1:0.08:0.15之間；當采用三種粒徑粉料配比時，三種顆粒粉料的平均粒徑之比為 I:(0.6 0.7):(0.2 0.25)，重量比為 1:(0.3 0.4):(0.05 0.06)；
b.將上述不同粒徑的粉料逐層交替地裝填入自制的不同直徑大小的橡膠桶狀模具內(nèi)，橡膠模具在加料過程中始終置于振動臺上，并施加豎直方向頻率為50(Tl000 Hz的振動；
c.將裝填后的橡膠模具經(jīng)密封后置于冷等靜壓機中，在10(T200MPa壓力下保壓f 5分鐘，經(jīng)脫模后制成圓柱狀素坯；
d.將圓柱狀素坯在空氣或氮氣或真空環(huán)境下進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍為155(Tl750°C，燒結(jié)時間為3飛小時；最終獲得相對密度大于90%，密度大于3.6 g/cm3的B-Al2O3多晶塊料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的突出的實質(zhì)性特點和顯著地進步:
本發(fā)明提出將兩種或三種粒度的a-Al203顆粒按一定優(yōu)化配比混合實現(xiàn)最密化堆積，再結(jié)合冷等靜壓成型工藝制備高密度a-Al203多晶塊料的方法。在采用上述方法制得的B-Al2O3多晶塊料中，小粒徑粉料會填補大尺寸顆粒之間的空隙，粉料間接觸更多，相互作用更大，因而在壓制成型及高溫燒結(jié)過程中不易發(fā)生碎裂，易于獲得大尺寸的產(chǎn)品，并且其燒成密度相對市售氧化鋁餅塊料更高。采用冷等靜壓工藝將上述混合粉料壓制成塊狀料，所用設(shè)備為冷等靜壓機，模具為橡膠模具，B-Al2O3多晶料塊在整個制備生產(chǎn)過程中不與任何金屬接觸，避免二次污染的發(fā)生。


圖1為簡單立方多級粒度顆粒密堆積模型。圖2為面心立方多級粒度顆粒密堆積模型。圖3為體心立方多級粒度顆粒密堆積模型。
具體實施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。實施例1
本實施例的過程和步驟敘述如下: 1.采用兩種不同粒徑的醇鋁法商業(yè)高純5N (99.999%) B-Al2O3粉料為原料，平均粒徑之比取1:0.15，重量比取1:0.1。具體為50 y m大粒徑粉料取2400 g，7.5 y m小粒徑粉料取240 g，總重2640 g。根據(jù)密堆模型計算得到的理論空隙率為25.56%。2.將上述粉料分別等質(zhì)量地分為4份，逐層交替地裝填入自制的直徑為150 mm,高130 mm的橡膠桶狀模具內(nèi)。橡膠模具在加料過程中始終置于振動臺上，并施加豎直方向頻率為500 Hz的振動；
3.裝填后的橡膠模具經(jīng)密封后置于等靜壓機中，在200MPa壓力下保壓3分鐘，經(jīng)脫模后制成圓柱狀素坯；
4.圓柱狀素坯在空氣環(huán)境下進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1650°C，燒結(jié)時間為5小時。最終獲得直徑為113 mm，高72 mm，密度為3.67 g/cm3的a_Al203多晶塊料。樣品成型性好，表面無開裂，相對密度為92%。實施例2
本實施例所用粉體原料的純度、a-Al203多晶塊料壓制方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于采用了三種不同粒徑的醇鋁法a-Al203粉料為原料，平均粒徑分別為
10iim、7 iim和3 y m (即三者粒徑比為1:0.7:0.3)，重量分別取1800 g、720 g和108 g(即三者重量比為1:0.4:0.06)，合計總重為2628g。根據(jù)密堆模型計算得到的理論空隙率為 24.08%o經(jīng)測試，以該實施例中所述方法和步驟，最終獲得直徑為114 mm，高70 mm，密度為
3.69 g/cm3的a-Al203多晶塊料。樣品成型性好，表面無開裂，相對密度達93%。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋁多晶料塊的制備方法，其特征在于，具有以下的工藝過程和步驟: a.以兩種或三種使用醇鋁法生產(chǎn)的99.999%的商業(yè)高純a_Al203粉料為起始原料，當采用兩種粒徑粉料配比時，主體顆粒粉料與填隙顆粒粉料的平均粒徑之比為1:0.n:0.2，質(zhì)量比在1:0.08:0.15之間；當采用三種粒徑粉料配比時，三種顆粒粉料的平均粒徑之比為 I:(0.6 0.7):(0.2 0.25)，重量比為 1:(0.3 0.4):(0.05 0.06)； b.將上述不同粒徑的粉料逐層交替地裝填入自制的不同直徑大小的橡膠桶狀模具內(nèi)，橡膠模具在加料過程中始終置于振動臺上，并施加豎直方向頻率為50(Tl000 Hz的振動； c.將裝填后的橡膠模具經(jīng)密封后置于冷等靜壓機中，在10(T200MPa壓力下保壓廣5分鐘，經(jīng)脫模后制成圓柱狀素坯； d.將圓柱狀素坯 在 空氣或氮氣或真空環(huán)境下進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍為155(Tl750°C，燒結(jié)時間為3飛小時；最終獲得相對密度大于90%，密度大于3.6 g/cm3的B-Al2O3多晶塊料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鋁多晶料塊的制備方法，屬于特種陶瓷制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。采用兩種或三種醇鋁法生產(chǎn)的商業(yè)高純5N(99.999%)a-Al2O3粉料為起始原料，采用理論模型計算和通過實驗修正的方式確定各粉料顆粒間最優(yōu)化尺寸之比及所占數(shù)量比例關(guān)系，并通過冷等靜壓工藝將混合粉料壓制塊狀料，再經(jīng)高溫燒結(jié)制備出密度大于3.6g/cm3(相對密度大于90%)的a-Al2O3多晶塊料。制得的a-Al2O3多晶塊料中，小粒徑粉料會填補大尺寸顆粒之間的空隙，粉料間接觸更多，相互作用更大，因而在壓制成型及高溫燒結(jié)過程中不易發(fā)生碎裂，易于獲得大尺寸的產(chǎn)品，并且其燒成密度相對市售氧化鋁餅塊料更高。
文檔編號C04B35/10GK103232247SQ201310134420
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者歸琰, 楊秋紅, 陸神州 申請人:上海大學