CN114853456B - 一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，属于透明陶瓷材料技术领域。本发明工艺方法以铝盐和硫酸铵为原料配制混合原料溶液，将所配混合原料溶液缓慢滴入碳酸氢铵配制的沉淀剂中，充分反应得到沉淀物，沉淀物洗涤抽滤烘干后经焙烧得到伽马相氧化铝纳米粉体；将制备的纳米粉体装入模具成型素坯，然后送入两面顶压机设备中经两步超高压力烧结即得高透明γ‑Al2O3透明纳米晶陶瓷。本发明所制备的伽马型氧化铝新型透明纳米晶陶瓷材料具有可媲美蓝宝石单晶体的高透过率、高物理化学稳定性和优异力学性能等特性，并且该材料合成周期短，易于实现批量化生产。

Description

一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明属于透明陶瓷材料技术领域，具体涉及一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法。
背景技术
蓝宝石(α-Al2O3)晶体具有高硬度、高强度及优异的光学特性，是一种重要的光学窗口和导弹罩制作材料，在透明装甲、光电窗口、导弹整流罩等方面具有广泛的应用。然而，蓝宝石晶体具有光学各向异性，导致难以制备和加工，在一定程度上限制了其在高科技技术领域的应用。透明陶瓷，是一种高致密多晶烧结体，它兼具单晶的高透明、高熔点、高硬度等优良理化性能和玻璃的易做大、易成异形制备优势，尤其还兼有结构陶瓷特有的优良高温机械性能与容易实现复合结构的特征，因而被认为是一种极具应用价值的结构与功能一体化新材料。
20世纪60年代，美国通用公司的Coble博士首次发现并制备了半透明α-Al2O3陶瓷，这种材料具有优异的耐热性、耐腐蚀性及力学性能，使其在机械、半导体、电子、军工、医学等高科技新技术领域拥有广泛的应用前景。然而，由于α-Al2O3晶体结构属于六方晶系，具有光学各向异性特征，导致其多晶形态的α-Al2O3透明陶瓷在可见光波段的直线透过率偏低，从而限制了α-Al2O3多晶陶瓷材料的高端应用。
氧化铝具有多种同质异晶体，常见的有α、β、γ、θ、χ、δ、η等十多种晶型。其中，亚稳相伽马型氧化铝(γ-Al2O3)是常见的过渡型氧化铝低温晶型，属于缺陷型面心立方尖晶石晶体结构，其Al3+分布在尖晶石结构的8个四面体空隙和16个八面体空隙，因而其分子式可以用Al2/3Al2O4表示。与α-Al2O3晶系相比，具有面心立方结构的γ-Al2O3晶体由于不存在双折射效应，因而理论上将具备高透过、高光学质量的潜质，从而有望与蓝宝石晶体媲美。然而γ-Al2O3晶相在高温下不稳定，在1200℃或以上将不可逆地转变为α-Al2O3晶相，从而使得亚稳相γ-Al2O3光学透明陶瓷的合成难度大。因此，如何在相变温度以下获得具有高透过、高强度且高硬度的纯相γ-Al2O3透明陶瓷是当前亟待突破的瓶颈。
为了合成出高透明度的伽马型氧化铝透明陶瓷，研究者们进行了不同的尝试和不懈的努力。法国Beauvoir等(Thomas Hérisson de Beauvoir,Claude Estournès,Translucentγ-AlOOH andγ-Al2O3 glass-ceramics using the cold sinteringprocess,Scripta Materialia.194(2021)113650)报道了通过冷压烧结方式，采用压力为500MPa，温度低于400℃条件制备出半透明的勃姆石(γ-AlOOH)玻璃陶瓷，随后通过500℃空气退火得到半透明的γ-Al2O3玻璃陶瓷材料，但该γ-Al2O3玻璃陶瓷的透明度差，并且含有AlOOH杂相。虽然该方法可在低温制备出亚稳相的γ-Al2O3玻璃陶瓷，但其施加压力受到一定限制(100-500MPa量级)，因而烧结温度降低的同时又会引起陶瓷的致密度和光学透过率的降低，这对于制备高透明γ-Al2O3陶瓷仍有一定的困难。因此，制备出具有高透光性能的γ-Al2O3透明陶瓷材料仍具有很大的挑战，而具有高强度和高硬度且高透过的γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷材料则更是稀缺。
发明内容
针对背景技术中提到的问题及缺陷，本发明的目的在于提供一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，本发明方法制备的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料不仅其光学透过率可媲美蓝宝石单晶体，而且其陶瓷晶粒尺寸小于20nm。本发明具体是通过如下技术方案实现的：
一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，工艺步骤如下：
S1、制备伽马型氧化铝纳米粉体
1)将铝盐和硫酸铵溶于去离子水中，配制混合原料溶液，将碳酸氢铵溶于乙醇水溶液，配制沉淀剂；
2)称取步骤1)所述混合原料溶液与沉淀剂，在常压、10-18℃条件下将混合原料溶液滴入沉淀剂中，滴定时不断搅拌并陈化，至溶液完全反应得到沉淀物；其中，混合原料溶液与沉淀剂滴定混合比例按混合原料溶液中铝离子与沉淀剂中碳酸氢铵摩尔量之比1：(3-6)；
3)取步骤2)所述沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤，抽滤、烘干后得到前驱体粉末，所述前驱体粉末经焙烧后得到伽马相氧化铝纳米粉体；
S2、粉体成型
将S1制备的伽马相氧化铝纳米粉体装入模具，在常温、8-15MPa条件下成型素坯，保压5-10分钟；
S3、两步超高压力烧结
将S2成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，首先升压至6-8GPa并保压5-10分钟，保压结束后快速降压至3-5.5GPa，在此压力条件下升温进行致密化烧结，烧结后卸压至常压，即得高透明γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷。
进一步地，S1所述铝盐为Al(NO3)3·9H2O、Al2(SO4)3·18H2O、NH4Al(SO4)2·12H2O或NH4Al(CO3)2中的任意一种。
进一步地，S1所述铝盐与硫酸铵按铝盐中Al3+和硫酸铵中SO4 2-摩尔比为1：(0.5-1.5)混合添加。
进一步地，S1所述乙醇水溶液由无水乙醇和水按体积比(1-3)：5混合而得。
进一步地，S1滴定的速度为0.4-0.8L/h。
进一步地，S1滴定时搅拌速度为90-120rpm。
进一步地，S1所述焙烧条件为常压、500-800℃，焙烧时间1-2h。
进一步地，S3所述致密化烧结条件为温度300-500℃，烧结时间30-60min。
进一步地，S3烧结后卸压的速度为3-6bar/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明制备方法提供了一种有效制备纳米级γ-Al2O3粉体的新方法，该方法制备的纳米级γ-Al2O3粉体具有良好的分散性、颗粒尺寸小、比表面积大，有效解决了氧化铝粉体的尺寸控制问题，并且该方法制备的γ-Al2O3粉体的晶粒尺寸分布均匀，将其用于制备透明γ-Al2O3多晶陶瓷，不需要添加烧结助剂就能合成出光学质量媲美蓝宝石单晶的γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷，既可简化工艺，又可降低成本。
2、本发明制备方法中，硫酸铵、乙醇和水配合使用不但可调控反应溶液的pH，还能起到分散的作用，因而添加硫酸铵和复合溶剂能够增加反应体系的体积和提高离子扩散速率，使原料中的金属离子在溶液中更易于均匀混合并均匀沉淀，从而促进所得γ-Al2O3纳米粉体的分散性。另外，硫酸铵、乙醇和水溶剂成本低，无污染，符合工业化生产的要求。
3、本发明所述方法将γ-Al2O3前驱体粉末在500℃焙烧2h即可得到高分散性的纯相γ-Al2O3纳米粉体，因而有利于降低能耗，节约能源。
4、本发明所述方法可根据γ-Al2O3纳米粉体的不同应用需求，通过在500-800℃调整焙烧温度和时间来调整γ-Al2O3纳米粉体的晶粒粒径。
5、本发明中将自主合成的γ-Al2O3纳米粉体经预成型的素坯直接放入两面顶压机设备中烧结，经过两步高压烧结法，即制得γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷，工艺简单，符合工业化生产的要求。
6、本发明中γ-Al2O3透明陶瓷的烧结温度低(300-500℃)，烧结时间短，可节约电能。
7、相对于现有的α-Al2O3透明陶瓷(可见光透过率最高为70％@700nm)，本发明所制得的γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷在紫外、可见和中红外波段具有非常高的透过率，其光学透过曲线几乎和蓝宝石单晶的光学透过曲线相同，其在240-400nm紫外波段的透过率大于55％，在400-655nm可见光波段的透过率大于80％，在655-1300nm的可见光及近红外波段的直线透过率为85％-87％，在1300-2400nm的红外波段透过率大于60％。
8、相对于现有的α-Al2O3透明陶瓷和蓝宝石单晶，本发明所制得的γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷的晶粒尺寸小于20nm，且其密度低，约为3.4g/cm3；其介电常数和C轴方向的蓝宝石接近，为9.46；其热导率和蓝宝石一致，为30W/K·m；其硬度为16GPa，比模量(硬度/密度)和蓝宝石(4.9)接近，为4.7。
附图说明
图1是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备纳米粉体的X射线衍射(XRD)曲线，从图上曲线表明所合成的氧化铝粉体的是纯相的伽马型氧化铝晶系。
图2是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的伽马型氧化铝纳米粉体的扫描电子显微镜(SEM)照片和透射电子显微镜(TEM)照片，从图上曲线表明所合成的伽马氧化铝粉体的分散性好，颗粒尺寸平均为13nm。所述SEM测试仪器型号为S-4800，由HITACHI公司生产；所述TEM测试仪器型号TEMJEM-100CX，由HITACHI公司生产。
图3是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷的实物照片，该照片分别是不同GPa级压力烧结后未抛光(Φ10×6mm3)和切片(10×4×2mm3)后的γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷实物照片，该照片采用垂直放置方式，以表明该γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷具有良好的透明度。
图4是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷的透过谱，该透过率曲线以规格为Φ10×6mm3的γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷测定，测试仪器为紫外/可见/红外分光光度计，型号为日立UH4150，由HITACHI公司生产。
图5是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所烧结的伽马型氧化铝(γ-Al2O3)透明纳米晶陶瓷和初始γ-Al2O3纳米粉体的XRD曲线，以表明不同压力所合成的γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷具有和γ-Al2O3纳米粉体一致的物相结构。
图6是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷的SEM照片和TEM照片，这些图片表明，所述透明陶瓷的平均晶粒尺寸小于20nm。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，并非用于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下述各实施例中，所述铝盐、氢氧化铝、碳酸氢铵、硫酸铵和无水乙醇均为分析纯试剂。所述pH计由上海自动化仪表有限公司生产，型号为PHS-3C型。
实施例1
本实施例中，γ-Al2O3纳米粉体及其透明纳米晶陶瓷的制备方法如下：
1、制备伽马型氧化铝纳米粉体
1)以Al(NO3)3·9H2O为原料，将Al(NO3)3·9H2O和(NH4)2SO4溶于去离子水中，按照Al3+和SO4 2-的摩尔比为1：1.5配制Al3+离子浓度为0.05mol/L的混合原料溶液，将碳酸氢铵溶于无水乙醇和水的复合溶剂，无水乙醇和水的量按体积比为3：5计量，配制的碳酸氢铵沉淀剂浓度为0.15mol/L。
2)按照铝离子的摩尔量和碳酸氢铵的摩尔量之比为1：3分别量取上述步骤1)的混合原料溶液和沉淀剂溶液，在常压、18℃下，通过蠕动泵调节滴定速度，以0.4L/h的速度将混合原料溶液滴至500mL沉淀剂溶液中，滴定时不断搅拌并陈化，直至溶液完全反应，得到混合均匀的沉淀。
3)将该沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤并抽滤，抽滤后的沉淀物经烘干后，在常压、500℃焙烧2h，得到伽马相氧化铝纳米粉体。
2、粉体成型
将步骤1制备的γ-Al2O3纳米粉体装入模具中，在常温、15MPa压力下成型素坯，并保压5分钟。
3、两步超高压烧结
将步骤2中成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，经30min将压力升至8GPa，并保持该压力5min，接着快速降压至5GPa，在上述压力下开始升温至300℃进行致密化烧结，烧结时间30min，保温结束后在5分钟内将温度降至室温，并将压力以3bar/min的速率卸压至常压，即制得高透明γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷。
该烧结后的陶瓷照片如图3所示，透过谱如图4所示，由图3和图4可知，本实施例所制备透明陶瓷样品的透明度非常高，其可见至中红外的透过率均能达到85％，并且紫外透过率高于55％。将烧结后的陶瓷产物用X射线衍射仪(D/max-rA型转靶，Cu-Kα辐射，40kv×1100mA)检测，其XRD曲线见图5，由图5可知本实施例制备的烧结产物均为γ-Al2O3物相，表明该γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷没有发生相变。将烧结后的陶瓷产物用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)检测，其显微形貌照片见图6，由图6可知本实施例所制备的烧结产物的晶粒尺寸约为15nm，表明所制备的透明纳米晶陶瓷晶粒尺寸小于20nm。
实施例2
本实施例中，γ-Al2O3纳米粉体及其透明纳米晶陶瓷的制备方法如下：
1、制备伽马型氧化铝纳米粉体
1)以Al2(SO4)3·18H2O为原料，将Al2(SO4)3·18H2O和(NH4)2SO4溶于去离子水中，按照Al3+和SO4 2-的摩尔比为1：0.5配制Al3+离子浓度为0.15mol/L的混合原料溶液，将碳酸氢铵溶于无水乙醇和水的复合溶剂，无水乙醇和水的量按体积比为2：5计量，配制的碳酸氢铵沉淀剂浓度为0.5mol/L。
2)按照铝离子的摩尔量和碳酸氢铵的摩尔量之比为1：6分别量取上述步骤1)的混合原料溶液和沉淀剂溶液，在常压、10℃下，通过蠕动泵调节滴定速度，以0.6L/h的速度将混合原料溶液滴至500mL沉淀剂溶液中，滴定时不断搅拌并陈化，直至溶液完全反应，得到混合均匀的沉淀。
3)将该沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤并抽滤，抽滤后的沉淀物经烘干后，在常压、600℃焙烧2h，得到伽马相氧化铝纳米粉体。
2、粉体成型
将步骤1制备的γ-Al2O3纳米粉体装入模具中，在常温、12MPa压力下成型素坯，并保压10分钟。
3、两步超高压烧结
将步骤2中成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，经30min将压力升至7GPa，并保持该压力8min，接着快速降压至4GPa，在上述压力下开始升温至500℃进行致密化烧结，烧结时间40min，保温结束后在5分钟内将温度降至室温，并将压力以4bar/min的速率卸压至常压，即制得高透明γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷。
该烧结后的陶瓷照片如图3所示，透过谱如图4所示，由图3和图4可知，本实施例所制备的透明陶瓷样品的透明度高，其可见至中红外的透过率均能达到85％，并且紫外透过率高于55％。将烧结后的陶瓷产物用X射线衍射仪(D/max-rA型转靶，Cu-Kα辐射，40kv×1100mA)检测，其XRD曲线见图5，由图5可知本实施例制备的烧结产物均为γ-Al2O3物相，表明该γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷没有发生相变。将烧结后的陶瓷产物用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)检测，其显微形貌照片见图6，由图6可知本实施例所制备的烧结产物的晶粒尺寸约为18nm，表明所制备的透明纳米晶陶瓷晶粒尺寸小于20nm。
实施例3
本实施例中，γ-Al2O3纳米粉体及其透明纳米晶陶瓷的制备方法如下：
1、制备伽马型氧化铝纳米粉体
1)以NH4Al(SO4)2·12H2O为原料，将NH4Al(SO4)2·12H2O和(NH4)2SO4溶于去离子水中，按照Al3+和SO4 2-按摩尔比为1：1配制Al3+离子浓度为0.1mol/L的混合原料溶液，将碳酸氢铵溶于无水乙醇和水的复合溶剂，无水乙醇和水的量按体积比为1：5计量，配制的碳酸氢铵沉淀剂浓度为1.0mol/L。
2)按照铝离子的摩尔量和碳酸氢铵的摩尔量之比为1：10分别量取上述步骤1)的混合原料溶液和沉淀剂溶液，在常压、16℃下，通过蠕动泵调节滴定速度，以0.5L/h的速度将混合原料溶液滴至500mL沉淀剂溶液中，滴定时不断搅拌并陈化，直至溶液完全反应，得到混合均匀的沉淀。
3)将该沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤并抽滤，抽滤后的沉淀物经烘干后，在常压、700℃焙烧2h，得到伽马相氧化铝纳米粉体。
2、粉体成型
将步骤1制备的γ-Al2O3纳米粉体装入磨具中，在常温、10MPa压力下成型素坯，并保压8分钟。
3、两步超高压烧结
将步骤2中成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，经20min将压力升至6GPa，并保持该压力10min，接着快速降压至3GPa，在上述压力下开始升温至500℃进行致密化烧结，烧结时间60min，保温结束后在5分钟内将温度降至室温，并将压力以6bar/min的速率卸压至常压，即制得高透明γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷。
该烧结后的陶瓷照片如图3所示，透过谱如图4所示，由图3和图4可知，本实施例所制备的透明陶瓷样品的透明度高，其可见至中红外的透过率均能达到85％，并且紫外透过率高于55％。将烧结后的陶瓷产物用X射线衍射仪(D/max-rA型转靶，Cu-Kα辐射，40kv×1100mA)检测，其XRD曲线见图5，由图5可知本实施例制备的烧结产物均为γ-Al2O3物相，表明该γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷没有发生相变。将烧结后的陶瓷产物用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)检测，其显微形貌照片见图6，由图6可知本实施例所制备的样品晶粒尺寸约为17nm，表明所制备的透明纳米晶陶瓷晶粒尺寸小于20nm。
实施例4
本实施例中，γ-Al2O3纳米粉体及其透明纳米晶陶瓷的制备方法如下：
(1)制备伽马型氧化铝纳米粉体
1)以NH4Al(CO3)2为原料，将NH4Al(CO3)2和(NH4)2SO4溶于去离子水中，按照Al3+和SO4 2-按摩尔比为1：0.8配制Al3+离子浓度为0.2mol/L的混合原料溶液，将碳酸氢铵溶于无水乙醇和水的复合溶剂，无水乙醇和水的量按体积比为2：5计量，配制的碳酸氢铵沉淀剂浓度为1.2mol/L。
2)按照铝离子的摩尔量和碳酸氢铵的摩尔量之比为1：7分别量取上述步骤1)的混合原料溶液和沉淀剂溶液，在常压、15℃下，通过蠕动泵调节滴定速度，以0.8L/h的速度将混合原料溶液滴至500mL沉淀剂溶液中，滴定时不断搅拌并陈化，直至溶液完全反应，得到混合均匀的沉淀。
3)将该沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤并抽滤，抽滤后的沉淀物经烘干后，在常压、800℃焙烧1h，得到伽马相氧化铝纳米粉体。
2、粉体成型
将步骤1制备的γ-Al2O3纳米粉体装入磨具中，在常温、8MPa压力下成型素坯，并保压10分钟。
3、两步超高压烧结
将步骤2中成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，经20min将压力升至6.5GPa，并保持该压力6min，接着快速降压至5.5GPa，在上述压力下开始升温至300℃进行致密化烧结，烧结时间50min，保温结束后在5分钟内将温度降至室温，并将压力以5bar/min的速率卸压至常压，即制得高透明γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷。
该烧结后的陶瓷照片如图3所示，透过谱如图4所示，由图3和图4可知，本实施例所制备的透明陶瓷样品的透明度高，其可见至中红外的透过率均能达到85％，并且紫外透过率高于55％。将烧结后的陶瓷产物用X射线衍射仪(D/max-rA型转靶，Cu-Kα辐射，40kv×1100mA)检测，其XRD曲线见图5，由图5可知本实施例制备的烧结产物均为γ-Al2O3物相，表明该γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷没有发生相变。将烧结后的陶瓷产物用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)检测，其显微形貌照片见图6，由图6可知本实施例所制备的烧结产物的晶粒尺寸约为15nm，表明所制备的透明陶瓷晶粒尺寸小于20nm。
以上所描述的实施例仅表达了本发明的几种优选实施例，其描述较为具体和详细，但并不用于限制本发明。应当指出，对于本领域的技术人员来说，本发明还可以有各种变化和更改，凡在本发明的构思和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：
S1、制备伽马型氧化铝纳米粉体
1)将铝盐和硫酸铵溶于去离子水中，配制混合原料溶液，将碳酸氢铵溶于乙醇水溶液，配制沉淀剂；其中，铝盐与硫酸铵按Al3+和SO4 2-摩尔比为1：(0.5-1.5)混合添加，乙醇水溶液由无水乙醇和水按体积比(1-3)：5混合而得；
2)称取步骤1)所述混合原料溶液与沉淀剂，在常压、10-18℃条件下将混合原料溶液滴入沉淀剂中，滴定时不断搅拌并陈化，至溶液完全反应得到沉淀物；其中，混合原料溶液与沉淀剂滴定混合比例按混合原料溶液中铝离子与沉淀剂中碳酸氢铵摩尔量之比1：(3-6)；
3)取步骤2)所述沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤，抽滤、烘干后得到前驱体粉末，所述前驱体粉末经焙烧后得到伽马相氧化铝纳米粉体；
S2、粉体成型
将S1制备的伽马相氧化铝纳米粉体装入模具，在常温、8-15MPa条件下成型素坯，保压5-10分钟；
S3、两步超高压力烧结
将S2成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，首先升压至6-8GPa并保压5-10分钟，保压结束后快速降压至3-5.5GPa，在此压力条件下升温进行致密化烧结，烧结后卸压至常压，即得高透明γ-Al2O3透明纳米晶陶瓷。
2.根据权利要求1所述一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，其特征在于，S1所述铝盐为Al(NO3)3·9H2O、Al2(SO4)3·18H2O、NH4Al(SO4)2·12H2O或NH4Al(CO3)2中的任意一种。
3.根据权利要求1所述一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，其特征在于，S1滴定的速度为0.4-0.8L/h。
4.根据权利要求1所述一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，其特征在于，S1滴定时搅拌速度为90-120rpm。
5.根据权利要求1所述一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，其特征在于，S1所述焙烧条件为常压、500-800℃，焙烧时间1-2h。
6.根据权利要求1所述一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，其特征在于，S3所述致密化烧结条件为温度300-500℃，烧结时间30-60min。
7.根据权利要求1所述一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，其特征在于，S3烧结后卸压的速度为3-6bar/min。
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CN101186510B (zh) * 2007-12-12 2010-05-19 四川大学 块状不裂透明纳米陶瓷的制备方法
US10815549B2 (en) * 2014-04-17 2020-10-27 AluChem Companies, Inc. Method for the purification of alumina
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