CN102627450A

CN102627450A - 一种细晶透明氧化铝陶瓷材料及制备方法

Info

Publication number: CN102627450A
Application number: CN2012101176223A
Authority: CN
Inventors: 庄苏伟; 刘先兵
Original assignee: SUZHOU KEY MATERIALS TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: SUZHOU KEY MATERIALS TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-08-08

Abstract

本发明公开了一种细晶透明氧化铝陶瓷材料及制备方法，其配方组成中含有质量百分数为99.6～99.98%的Al₂O₃和质量百分数为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纳米处直线透光率大于37%。在使用高纯氧化铝粉末，利用冷等静压成型，然后在氢气气氛下烧结，先将温度升至1300℃，而后降至1150℃，进行保温。通过上述方式，本发明具有高致密度、优秀的力学性能和较高的直线透过率，适用于陶瓷金卤灯灯管、半导体设备关键部件和高温观察窗等。

Description

一种细晶透明氧化铝陶瓷材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种细晶透明氧化铝陶瓷材料及制备方法，具体的说是在氢气气氛中采用低温烧结工艺，制备细晶透明氧化铝陶瓷的方法。

背景技术

自从1962年coble发表了第一个透明氧化铝陶瓷的专利US3026210以来，透明氧化铝陶瓷就一直是研发的热点。因透明氧化铝陶瓷在常规的氢气或真空烧结过程中，由于烧结温度大于1700℃，甚至超过1900℃，所以晶粒尺寸通常达到几十微米甚至更高。一方面导致材料的力学强度降低，通常气氛烧结或真空烧结的透明陶瓷件的弯曲强度小于300MPa；另一方面，材料的直线透光率小于20%，远不能适用于对材料光学和力学性能要求较高的领域，如陶瓷金卤灯、半导体生产设备中关键部件等。而且高的烧结温度和控温精度对烧结设备的要求非常高，设备的投入和损耗比较大。

在目前细晶透明氧化铝陶瓷的研究中，侧重于特殊的烧结工艺使用，如热等静压烧结、放电等离子烧结。如专利EP1053983采用在196MPa压力下于1150℃热等静压烧结，制备了直线透过率大于50%且晶粒尺寸小于1微米的透明氧化铝陶瓷。申请号为200910055361的专利采用在100MPa外加压力下于1350℃放电等离子烧结的工艺，获得晶粒尺寸为1.8微米的直线透过率为50-60%之间的透明氧化铝陶瓷。虽然特殊烧结工艺可获得细晶透明氧化铝陶瓷，并大幅降低透明氧化铝陶瓷的烧结温度，但存在以下问题：1，设备投资成本极高，如热等静压烧结设备非常昂贵，成本非常高，难以推广应用；2，对于放电等离子烧结，虽然可以实现快速的升温，有利于控制晶粒的快速长大，但由于升温较快，保温时间比较短，气孔的完全排出比较困难，而且受到设备本身或模具的限制，都无法实现大型异形透明氧化铝陶瓷件的烧结，限制了产品的应用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种细晶透明氧化铝陶瓷材料及制备方法，解决了常规氢气烧结面临的晶粒粗大、直线透光率低的问题，同时制备的透明氧化铝陶瓷的力学性能也得到了提升，具有高强度、高致密度、及耐卤素等离子腐蚀等优秀性能，适合于高温观察窗、金属卤素灯管、半导体设备中的腔室部件等。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种细晶透明氧化铝陶瓷，它含有质量百分数为99.6～99.98%的Al₂O₃和质量百分数为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纳米处直线透光率大于37%。所述陶瓷体相对密度大于99.9%，弯曲强度为650MPa，维氏硬度为17GPa。

为完成上述的细晶透明氧化铝陶瓷，其制备方法包括以下步骤：

（1）制备浆料：将99.6~99.98份的纯度为99.99%的Al₂O₃粉末、0.01~0.2份的MgO、0.005~0.1份的ZrO₂、0.005~0.1份的La₂O₃放入球磨机中，加入去离子水和氧化铝磨球，使用硝酸溶液调节PH至2~6，再加入0.5~2份的Dolapix CE64作为分散剂，进行滚筒球磨10~24小时，制备固体含量为70~80%的浆料；将球磨后的浆料加入0.2~0.6份的聚乙烯醇，继续球磨3~12小时，获得均匀分散的浆料；

（2）喷雾造粒: 将此浆料进行喷雾干燥，获得造粒粉的平均粒径为70-100微米；

（3）生坯成型：将Al₂O₃造粒粉进行冷等静压成型，成型压力为100~200MPa，其生坯密度为理论密度的55%~60%；

（4）烧结：然后把生坯放入氢气烧结炉中，采用低温烧结的工艺曲线；

（5）表面加工处理：将烧结体进行平面研磨和表面抛光处理。

进一步，所述步骤（1）中使用的Al₂O₃粉末纯度大于99.99%，粉末粒径约为150~200纳米，比表面积为12~14 m²/g；加入0.01~0.2份的MgO、0.005~0.1份的ZrO₂和0.005~0.1份的La₂O₃的烧结助剂；使用0.5~2份有机分散剂Dolapix CE64。

更进一步，所述步骤（4）的低温烧结工艺为将造粒后的Al₂O₃粉末放入氢气烧结炉中，以2-3℃/min的升温速度先升至1100℃，保温3-4小时，后以1.5-2℃/min的升温速度升至1300℃，再以3℃/min的速度降至1150℃，保温48小时，再降至室温。

本发明的有益效果是：本发明所使用的Al₂O₃粉末纯度大于99.99%，粉末粒径约为150~200纳米，比表面积为12~14m²/g。采用的低温氢气气氛烧结工艺，即在氢气气氛烧结中，烧结温度不超过1300℃，另外本发明制备的透明氧化铝陶瓷的平均晶粒尺寸介于0.8~1.5微米，在波长为640纳米时材料的直线透光率大于30%，甚至可以达到大于40%的直线透光率，晶粒尺寸均匀，并无晶粒的异常长大现象。且本发明的透明陶瓷体的相对密度大于99.9%，维氏硬度17GPa，弯曲强度为650MPa，突破了常规氢气或真空条件下透明陶瓷弯曲强度小于300MPa现象，实现力学性能的提升。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例中透明氧化铝陶瓷在扫描电镜下的显微结构；

图2是本发明一较佳实施例所制备样品在200纳米至1000纳米的波长范围内直线透过率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明制备细晶透明氧化铝陶瓷一较佳实施例的操作步骤如下：

（1）制备浆料：将99.91份的纯度为99.99%的Al₂O₃粉末、0.07份的MgO、0.01份的ZrO₂、0.01份的La₂O₃放入球磨机中，加入去离子水和氧化铝磨球，使用硝酸溶液调节PH至4，再加入1.5份的Dolapix CE64作为分散剂，进行滚筒球磨24小时，制备固体含量为70~80%的浆料；将球磨后的浆料加入0.5份的聚乙烯醇，继续球磨3~12小时，获得均匀分散的浆料；

（2）喷雾造粒：将此浆料进行喷雾干燥，获得造粒粉的平均粒径为100微米；

（3）生坯成型：将Al₂O₃造粒粉进行冷等静压成型，成型压力为200MPa，其生坯密度约为理论密度的60%；

氢气烧结炉中进行烧结，烧结曲线为：以2℃/min的升温速度先升至1100℃，保温3-4小时，后以1.5℃/min的升温速度升至1300℃，再以3℃/min的速度降至1150℃，保温48小时，再降至室温。烧结后的透明氧化铝陶瓷进行平面研磨和表面抛光处理。

本实施例得到的透明氧化铝陶瓷的相对密度达到99.9%，晶粒尺寸范围为0.8~1.5微米，如图1所示，弯曲强度为650MPa，维氏硬度为17GPa。在波长为640纳米达到37%，在波长为1000纳米时最大达到48%，且可见光波段直线透过率随波长变化很小，如图2所示。

本发明区别于现有技术：采用冷等静压成型和低温氢气气氛烧结的烧结工艺，而非采用热等静压烧结、微波烧结或放电等离子烧结这些工艺，制备细晶透明氧化铝陶瓷。与高直线透光率的细晶透明氧化铝陶瓷的相关技术比较而言，虽然本发明采用的低温氢气烧结工艺制备的透明氧化铝陶瓷的晶粒尺寸未能达到亚微米级别，但是本发明使用常规的氢气烧结工艺，在较低的温度下（最高烧结温度不超过1300℃），制备的透明氧化铝陶瓷的晶粒尺寸介于0.8~1.5微米之间，且直线透过率大于30%。与传统的气氛烧结、热等静压烧结等工艺而言，本发明采用的氢气烧结工艺，即在获得较高的致密度后，再降低温度至临界温度，利用此温度下晶界生长受阻，而晶界扩散活跃的特点，在此温度进行长时间保温，来获得细晶高致密度的透明氧化铝陶瓷。而且本发明的配方中添加的烧结助剂ZrO₂和La₂O₃在晶界处形成的充分弥散的第二相，对晶界形成了钉扎作用，阻碍晶界生长，起到抑制晶粒长大的作用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种细晶透明氧化铝陶瓷，其特征在于：它含有质量百分数为99.6～99.98%的Al₂O₃和质量百分数为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纳米处直线透光率大于37%。

2.根据权利要求1所述的细晶透明氧化铝陶瓷，其特征在于: 所述陶瓷体相对密度大于99.9%，弯曲强度为650MPa，维氏硬度为17GPa。

3.一种制造权利要求1所述的细晶透明氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（1）制备浆料：将99.6~99.98份的纯度为99.99%的Al₂O₃粉末、0.01~0.2份的MgO、0.005~0.1份的ZrO₂、0.005~0.1份的La₂O₃放入球磨机中，加入去离子水和氧化铝磨球，使用硝酸溶液调节PH至2~4，再加入0.5~2份的Dolapix CE64作为分散剂，进行滚筒球磨10~24小时，制备固体含量为70~80%的浆料；将球磨后的浆料加入0.2~0.6份的聚乙烯醇，继续球磨3~12小时，获得均匀分散的浆料；

4.根据权利要求3所述的一种细晶透明氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中使用的Al₂O₃粉末纯度大于99.99%，粉末粒径约为150~200 纳米，比表面积为12~14 m²/g。

5.根据权利要求3所述的一种细晶透明氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中加入0.01~0.2份的MgO、0.005~0.1份的ZrO₂和0.005~0.1份的La₂O₃的烧结助剂。

6.根据权利要求3所述的一种细晶透明氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中使用0.5~2份有机分散剂Dolapix CE64。

7.根据权利要求3所述的一种细晶透明氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）的低温烧结工艺为将造粒后的Al₂O₃粉末放入氢气烧结炉中，以2-3℃/min的升温速度先升至1100℃，保温3-4小时，后以1.5-2℃/min的升温速度升至1300℃，再以3℃/min的速度降至1150℃，保温48小时，再降至室温。