專利名稱：LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種LiAlON透明陶瓷的制備方法，屬于透明陶瓷材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Y-AlON具有優(yōu)良的高溫性能、抗侵蝕性和熱震穩(wěn)定性，是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和耐火材料。另外，因其具有優(yōu)異的光學(xué)性能，Y-AlON還可作為光學(xué)透明材料廣泛應(yīng)用于光學(xué)窗口和整流罩等。但是，Y-AlON在1640°C以下的熱穩(wěn)定性較差，已有研究表明通過(guò)在Y-AlON中固溶金屬鋰離子形成新的單一 LiAlON物相，有利于提高透明陶瓷的熱穩(wěn)定性和硬度等機(jī)械性能。LiAlON材料是一種具有尖晶石結(jié)構(gòu)的新型光學(xué)陶瓷材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)等物理和化學(xué)性質(zhì)，可廣泛用于窗口、整流罩和透明裝甲材料。D. Clay 等人("Effect of LiAl508additions on the sintering and optical transparency of LiAlON，，，Journal of the European Ceramic Society, 26,2006, PP. 1351-1362)采用α -氧化鋁、氮化鋁和鋁酸鋰(LiAl5O8)混合粉末，先35Mpa預(yù)壓成型， 再170-200Mpa冷等靜壓后，然后采用低壓(0. ^ar，N2)或熱等靜壓G207Mpa，N2)固相反應(yīng)燒結(jié)，并對(duì)所獲密實(shí)材料的結(jié)構(gòu)和性能如顯微結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和機(jī)械性能與組成、反應(yīng)溫度和燒結(jié)工藝的關(guān)系開(kāi)展了研究。在190(TC、0. 5bar低壓燒結(jié)下保溫池，然后在2000°C、 207Mpa熱等靜壓燒結(jié)下保溫2h，制備出厚6. 2mm,在可見(jiàn)光區(qū)域直線透過(guò)率接近65 %的 LiAlON透明陶瓷。LiAlON透明陶瓷的研究尚處于起步階段，并未見(jiàn)其它相關(guān)報(bào)道。高純、高致密度氧氮化物透明陶瓷的制備通常較為困難，一般需要在高溫 (彡1800°C)、高壓(彡150MPa)條件下燒結(jié)，才能獲得致密度較高的陶瓷樣品。目前，國(guó)內(nèi)外氧氮化物透明陶瓷制備方法主要分為一步法和兩步法兩種。一步法為反應(yīng)燒結(jié)方法，即樣品各組分之間的反應(yīng)和樣品的致密化同時(shí)進(jìn)行。這種制備方法工藝簡(jiǎn)單、周期短，但是反應(yīng)燒結(jié)過(guò)程復(fù)雜、產(chǎn)品成份難以控制，不易獲得單相、高致密度的陶瓷樣品。上述D. Clay等人即采用無(wú)壓結(jié)合熱等靜壓反應(yīng)燒結(jié)制備了 LiAlON透明陶瓷，但由于反應(yīng)燒結(jié)一步法的工藝過(guò)程復(fù)雜、組分不易控制，難于獲得性能均勻的大尺寸透明陶瓷樣品。兩步法通常是先制備高純透明陶瓷原料粉末，然后采用適當(dāng)?shù)某尚团c燒結(jié)方法制備透明陶瓷。美國(guó)專利US. Pat. No. 4，686，070報(bào)道了一種采用兩步法來(lái)制備AlON透明陶瓷的方法，獲得了厚度為1. 45mm,在4 μ m處透過(guò)率為80%的樣品。該專利指出，兩步法易于獲得單一物相，提高陶瓷的致密度，克服了一步法制備中反應(yīng)致密化同時(shí)進(jìn)行、過(guò)程復(fù)雜、組分不易控制的缺點(diǎn)。但是兩步法燒結(jié)往往依賴于熱壓或熱等靜壓等燒結(jié)工藝或加入燒結(jié)助劑等工藝，大大提高了透明陶瓷制備的成本以及限制了燒結(jié)產(chǎn)品的形狀和尺寸，不適合生產(chǎn)大尺寸復(fù)雜形狀的制品，因此在獲得了高純透明陶瓷粉末后，采用無(wú)壓燒結(jié)法來(lái)制備透明陶瓷則體現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。而目前，未見(jiàn)關(guān)于兩步法制備LiAlON透明陶瓷的報(bào)道。眾所周知，在無(wú)壓條件下獲得高密度的樣品非常困難，要求原料粉體具有很高的燒結(jié)活性。因此，制備高純、微細(xì)、高燒結(jié)活性的LiAlON陶瓷粉末是制備高性能LiAlON陶瓷燒結(jié)體的關(guān)鍵。采用中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?011101255 . 9制備的高純、高燒結(jié)活性的LiAlON粉體，是制備高致密度燒結(jié)體的前提。而提高燒結(jié)體的致密度并獲得優(yōu)良光學(xué)透過(guò)性能，選擇使用合適組成的陶瓷粉體和無(wú)壓燒結(jié)條件非常關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法，該方法能無(wú)壓燒結(jié)制備LiAlON透明陶瓷。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是=LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法，其特征在于它包括如下步驟1)將各初始原料制備的LiAlON透明陶瓷粉末充分干燥(在60°C-500°C干燥 6-24h)，得到粉體A;2)將粉體A在常溫下采用軸向模壓壓制成型，再經(jīng)100 250MI^冷等靜壓壓制后，獲得陶瓷素坯；3)將陶瓷素坯置于坩堝內(nèi)，坩堝置于無(wú)壓燒結(jié)爐中，以流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)、1 20°C / min的升溫速率加熱到1750 1975°C，保溫5 30h，自然冷卻后得到LiAlON燒結(jié)體；燒結(jié)體經(jīng)過(guò)研磨、拋光后，得到LiAlON透明陶瓷。所述的各初始原料制備的LiAlON透明陶瓷粉末由α-氧化鋁粉末、氮化鋁粉末和含鋰化合物粉末混合而成，各初始原料所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為α-氧化鋁粉末67. 93wt % -93. 51wt %、氮化鋁粉末3. (Mwt % -24. 84wt %、含鋰化合物粉末 0. 5wt% -28. 82wt% ； α-氧化鋁粉末的純度大于99. 5wt %，平均粒徑小于或等于1 μ m， 所含金屬雜質(zhì)的濃度低于500ppm ；氮化鋁粉末的純度大于98wt%，平均粒徑小于或等于 200nm，所含金屬雜質(zhì)的濃度低于5000ppm ；含鋰化合物粉末的純度為98wt%，平均粒徑在
5μ m以下。所述的各初始原料制備的LiAlON透明陶瓷粉末的純度大于98wt%，平均粒徑小于或等于700 μ m，所含金屬雜質(zhì)的濃度低于500ppm，特別適合制作透明陶瓷。所述的含鋰化合物為氧化鋰粉末、硝酸鋰粉末、碳酸鋰等粉末中的一種或兩種以上任意的混合。步驟1)所述的粉體A的干燥，一般在干燥氣體氣氛中進(jìn)行，在干燥溫度范圍 (600C -500°C干燥Mi_24h)內(nèi)任何不與所述混合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體都可以用作干燥氣體，例如氮?dú)猓瑲鍤?，氦氣和空氣等，其中最好選擇空氣。干燥可以在常壓或負(fù)壓下進(jìn)行。 干燥溫度一般不超過(guò)500°C，并需要足夠的時(shí)間以使所述的粉體完全干燥。步驟3)所述的坩堝由高溫下與氮?dú)?、LiAlON不發(fā)生反應(yīng)并能夠承受高溫及熱沖擊的材料制成。例如，氮化硼或氮化鋁坩堝、或者在內(nèi)壁涂覆有氮化硼或者氮化鋁涂層的石墨、碳化硅等坩堝。本發(fā)明的有益效果是采用高純(純度彡98wt% )、微細(xì)(平均粒徑彡700nm)的高燒結(jié)活性的LiAlON透明陶瓷粉末，并不使用燒結(jié)助劑，在無(wú)壓燒結(jié)下制備LiAlON透明陶瓷。該方法有利于控制樣品的組成且無(wú)需通過(guò)熱等靜壓燒結(jié)等工藝即可獲得高的相對(duì)致密度(> 99. 5 % )，加工為厚度為2mm平板材料后(即本發(fā)明的LiAlON透明陶瓷)，在0. 25
6μ m光波范圍內(nèi)，具有較好的直線透過(guò)率。本發(fā)明的制備方法適于制備大尺寸、形狀復(fù)雜的LiAlON透明陶瓷器件。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例5中所制得的LiAlON透明陶瓷樣品的XRD譜圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1、3、4、5、7中所制得的LiAlON透明陶瓷樣品的直線透過(guò)率譜圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例5中所制得的LiAlON透明陶瓷樣品的效果照片。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖、實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。下述實(shí)施例1 8所采用的LiAlON透明陶瓷粉末可以具有不同的初始組成(α -氧化鋁 67. 93wt % -93. 51wt %、氮化鋁 3. 04wt % -24. 84wt %、含鋰化合 0. 5wt % -28. 82wt % )，其純度大于98wt %，平均粒徑小于或等于700 μ m,所含金屬雜質(zhì)的濃度低于500ppm。α -氧化鋁粉末的純度大于99. 5wt %，平均粒徑小于或等于1 μ m，所含金屬雜質(zhì)的濃度低于500ppm ；氮化鋁粉末的純度大于98wt%，平均粒徑小于或等于200nm，所含金屬雜質(zhì)的濃度低于5000ppm ；含鋰化合物粉末的純度為98wt%，平均粒徑在5 μ m以下。實(shí)施例1 LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法，它包括如下步驟1)將制備的LiAlON透明陶瓷粉末(各初始原料所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為α -氧化鋁 68. Hwt %、氮化鋁3. (Mwt %、碳酸鋰粉末28. 82wt% )充分干燥(在60°C下干燥Mh)，得到粉體A;2)將粉體A在常溫下采用軸向模壓壓制成型(成型為直徑為20mm的圓片)、再經(jīng) IOOMI^冷等靜壓壓制后，獲得陶瓷素坯(具有一定致密度的)；3)將陶瓷素坯置于坩堝內(nèi)，坩堝置于無(wú)壓燒結(jié)爐中，以流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)下燒結(jié)(燒結(jié)工藝如下表1)，自然冷卻后得到LiAlON燒結(jié)體；燒結(jié)工藝如下表1 表 權(quán)利要求
1.LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法，其特征在于它包括如下步驟1)將各初始原料制備的LiAlON透明陶瓷粉末干燥，得到粉體A；2)將粉體A在常溫下采用軸向模壓壓制成型，再經(jīng)100 250MI^冷等靜壓壓制后，獲得陶瓷素坯；3)將陶瓷素坯置于坩堝內(nèi)，坩堝置于無(wú)壓燒結(jié)爐中，以流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)、1 20°C/min的升溫速率加熱到1750 1975°C，保溫5 30h，自然冷卻后得到LiAlON燒結(jié)體；燒結(jié)體經(jīng)過(guò)研磨、拋光后，得到LiAlON透明陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法，其特征在于所述的各初始原料制備的LiAlON透明陶瓷粉末由α -氧化鋁粉末、氮化鋁粉末和含鋰化合物粉末混合而成，各初始原料所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為α-氧化鋁粉末67. 93wt% -93. 5 Iwt %、氮化鋁粉末3. 04wt% -24.、含鋰化合物粉末0. 5wt% -28. 82wt% ； α -氧化鋁粉末的純度大于99. 5wt%，平均粒徑小于或等于1 μ m，所含金屬雜質(zhì)的濃度低于500ppm ；氮化鋁粉末的純度大于98wt%，平均粒徑小于或等于200nm，所含金屬雜質(zhì)的濃度低于5000ppm ；含鋰化合物粉末的純度為98wt%，平均粒徑在5 μ m以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法，其特征在于所述的各初始原料制備的LiAlON透明陶瓷粉末的純度大于98wt%，平均粒徑小于或等于700 μ m, 所含金屬雜質(zhì)的濃度低于500ppm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法，其特征在于所述的含鋰化合物為氧化鋰粉末、硝酸鋰粉末、碳酸鋰粉末中的一種或兩種以上任意的混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種LiAlON透明陶瓷的制備方法，屬于透明陶瓷材料制備領(lǐng)域。LiAlON透明陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)制備方法，其特征在于它包括如下步驟1)將LiAlON透明陶瓷粉末干燥，得到粉體A；2)將粉體A在常溫下采用軸向模壓壓制成型，再經(jīng)100～250MPa冷等靜壓壓制后，獲得陶瓷素坯；3)將陶瓷素坯置于坩堝內(nèi)，坩堝置于無(wú)壓燒結(jié)爐中，以流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)、1～20℃/min的升溫速率加熱到1750～1975℃，保溫5～30h，自然冷卻后得到LiAlON燒結(jié)體；燒結(jié)體經(jīng)過(guò)研磨、拋光后，得到LiAlON透明陶瓷。該方法有利于控制樣品的組成且無(wú)需通過(guò)熱等靜壓燒結(jié)等工藝即可獲得高的相對(duì)致密度(＞99.5％)，加工為厚度為2mm平板材料后，在0.25～6μm光波范圍內(nèi)，具有較好的直線透過(guò)率。
文檔編號(hào)C04B35/58GK102351540SQ20111019452
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者傅正義, 劉嘯, 尋尚巖, 張清杰, 王為民, 王玉成, 王皓 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)