專利名稱：一種AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法，屬于透明陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多晶氮氧化鋁(簡稱A10N)在寬的波段(紫外-可見-紅外)具有良好的透光性，同時具有優(yōu)異的力學(xué)性能，且化學(xué)穩(wěn)定性好，力學(xué)性能優(yōu)于鎂鋁尖晶而接近藍(lán)寶石，但是由于其作為多晶陶瓷材料在制備方面具有的優(yōu)勢，成本遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石，因而是最具有競爭力的紅外窗口材料，是國際上目前比較普遍公認(rèn)的最有潛力的三種紅外窗口及透明裝甲候選材料之一，在國防以及商業(yè)等眾多領(lǐng)域里有著廣闊的應(yīng)用前景。以氧化鋁和氮化鋁為原料的固相反應(yīng)是一類制備透明AlON陶瓷的方法，但這種方法要求AlN粉必須高純、超細(xì)，而目前高純AlN主要依賴進(jìn)口，價格昂貴，而且此方法制備的透明陶瓷透過率通常較低，因此不易產(chǎn)業(yè)化。另一類是碳熱還原氮化法，首先以氧化鋁為原料制得高純AlON粉，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)獲得透明陶瓷，其特點是成本低，因此近年來基于碳 熱還原法開展了大量AlON透明陶瓷方面的研究工作，但普遍存在燒結(jié)溫度高、保溫時間長的問題。U.S.專利4686070公開了一種制備AlON透明陶瓷的技術(shù)，但燒結(jié)溫度高于1900°C，另一個U. S.專利4，720，362也涉及一種制備AlON透明陶瓷的技術(shù)，燒結(jié)溫度同樣高于1900°C，且保溫時間太長，20h以上。張芳等(張芳，王士維，張昭，袁賢陽.AlON粉體制備及透明陶瓷的燒結(jié)，稀有金屬材料與工程，2009，Vol. 38，suppI. 2:403-406)以AlON粉體為原料在1950°C保溫8h，且氮?dú)鈮毫镺. 5MPa，冷等靜壓成型后的粉體燒結(jié)溫度高、保溫時間長，對設(shè)備要求高，所制備的陶瓷透過率不高，約60%。劉學(xué)建等人(劉學(xué)建，袁賢陽，張芳，黃政仁，王士維.碳熱還原氮化工藝制備AlON透明陶瓷，無機(jī)材料學(xué)報，2010，Vol. 25No. 7:678-682)首先把AlON粉體以200r/min強(qiáng)化球磨，200MPa冷等靜壓成型，在O. 8MPa氮?dú)鈿夥障?950°C保溫6h制備出透明陶瓷，但無透過率測試結(jié)果。田庭燕等(田庭燕，杜洪兵，姜華偉，孫峰，陳廣樂，張微，呂科，彭珍珍.AlON透明陶瓷的制備與性能，硅酸鹽學(xué)報，2010，Vol. 38，8:1455-1458)采用熱壓燒結(jié)方法在15-25MPa壓力下、1850-1950°C保溫2-5h制備了具有較高透過率的AlON透明陶瓷，但由于制備過程中施加壓力，限制了制品的形狀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法，具體為一種AlON粉體的球磨改性工藝和改性后粉體的低溫快速燒結(jié)技術(shù)，使用該技術(shù)可在較低溫、較短時間內(nèi)燒結(jié)制得AlON透明陶瓷，改性后的粉體粒度小，具有單峰、雙峰及多峰等粒度分布特征，且峰寬窄，增加了顆粒堆積密度，有利于成型和燒結(jié)致密化，該方法燒結(jié)溫度低、保溫時間短，節(jié)能且成本低。
一種AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法，包括下述工藝步驟①球磨將AlON粉體和燒結(jié)助劑在行星式球磨機(jī)上以150-300r/min的轉(zhuǎn)速混合20-40h ；②烘干成型將步驟①所得AlON陶瓷粉體料漿置于容器中于150°C烘干30-180分鐘，過篩，所得粉末干壓成型得AlON坯體；③預(yù)抽真空把步驟②成型的坯體放入石墨坩堝中，將石墨坩堝置于燒結(jié)爐中，常溫抽真空至10_3Pa后，邊升溫邊抽真空至1000°C保溫，直到真空度降到10_2Pa，關(guān)閉抽氣閥門，向爐內(nèi)充高純氮?dú)猓虎軣Y(jié)當(dāng)爐內(nèi)氮?dú)鈮毫Τ饰⒄龎簳r，調(diào)整氮?dú)饬髁啃∮贠. 4L/min，以升溫速率為15-60°C /min升溫到燒結(jié)溫度1780-1900°C保溫30-150分鐘，燒結(jié)完畢后控制降溫，得 AlON透明陶瓷。本發(fā)明所述AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法所有技術(shù)方案中步驟①優(yōu)選按下述方法進(jìn)行將AlON粉體和燒結(jié)助劑以氮化硅為球磨介質(zhì)、無水乙醇為分散介質(zhì)以150-300r/min的轉(zhuǎn)速混合20_40h ；本發(fā)明所述燒結(jié)助劑為本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所知的用于AlON陶瓷燒結(jié)用助劑，優(yōu)選為Y2O3，其量為AlON粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的O. 2-0. 8%。步驟①球磨步驟中優(yōu)選氮化硅磨球直徑分別是10mm、8mm、5mm和3mm，球的級配是1:0. 5 I: I I. 5:1 I. 5,進(jìn)一步優(yōu)選氮化娃磨球直徑分別是10mm、8mm和5mm,球的級配是1:0. 8:1. 2。步驟①中無水乙醇用量優(yōu)選為AlON粉體質(zhì)量的3-5倍。步驟①所得的經(jīng)球磨改性的粉體具有單峰、雙峰及多峰的粒度分布特征，且峰寬窄，有利于提高坯體致密度促進(jìn)燒結(jié)致密化。步驟②優(yōu)選按下述方法進(jìn)行將步驟①所得AlON陶瓷粉體料漿在電熱板上150°C烘干30-180分鐘，過50目篩，過篩后得干燥粉末，干燥粉末在壓片機(jī)上以40-100MPa的軸向壓力干壓成型。步驟③優(yōu)選按下述方法進(jìn)行把步驟②成型的坯體放入石墨坩堝中，將石墨坩堝置于燒結(jié)爐中，常溫抽真空至10_3Pa后，邊升溫邊抽真空至100(TC保溫，升溫速率是5-10°C /min，直到真空度降到10_2Pa，關(guān)閉抽氣閥門，向爐內(nèi)充高純氮?dú)?。步驟④優(yōu)選按下述方法進(jìn)行當(dāng)爐內(nèi)氮?dú)鈮毫Τ饰⒄龎簳r，調(diào)整氮?dú)饬髁啃∮?br> O.4L/min，繼續(xù)升溫，升溫速率為15_6(TC /min，升溫至燒結(jié)溫度1780-190(TC保溫30-150分鐘，保溫結(jié)束后首先以5°C /min降溫到1200°C，然后關(guān)閉電源隨爐冷卻。本發(fā)明所述微正壓指爐內(nèi)壓力為2_4Kpa，對設(shè)備要求不高。微正壓的壓力范圍由爐內(nèi)壓力通過電磁閥控制出氣閥的開關(guān)來確定，當(dāng)氣體壓力高于4Kpa時電磁閥自動打開放氣，當(dāng)壓力降到2Kpa時電磁閥自動關(guān)閉而使?fàn)t內(nèi)壓力增大，將爐內(nèi)壓力控制于2-4Kpa。本發(fā)明所述制備方法進(jìn)一步包括后處理步驟⑤將步驟④所得AlON透明陶瓷進(jìn)行磨平、拋光。本發(fā)明更進(jìn)一步優(yōu)選下述技術(shù)方案一種AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法，包括下述工藝步驟①球磨將AlON粉體和燒結(jié)助劑以氮化硅為球磨介質(zhì)、無水乙醇為分散介質(zhì)以150-300r/min的轉(zhuǎn)速混合20_40h,其中，氮化娃磨球直徑分別是10mm、8mm、5mm和3mm,球的級配是I: O. 5^1: Γ1. 5: Γ1. 5，無水乙醇用量是AlON粉體質(zhì)量的3_5倍。②烘干成型將步驟①所得AlON陶瓷粉體料漿在電熱板上150°C烘干30-180分鐘，過50目篩后得干燥粉末，干燥粉末在壓片機(jī)上以40-100MPa的軸向壓力干壓成型得AlON還體；③燒結(jié)爐預(yù)抽真空把步驟②成型的坯體放入石墨坩堝中，將石墨坩堝置于燒結(jié)爐中，常溫抽真空至10_3Pa后，邊升溫邊抽真空至1000°C保溫，直到真空度降到10_2Pa，關(guān)閉抽氣閥門，向爐內(nèi)充高純氮?dú)?。④燒結(jié)當(dāng)爐內(nèi)氮?dú)鈮毫Τ饰⒄龎簳r，調(diào)整氮?dú)饬髁啃∮贠. 4L/min，繼續(xù)升溫到燒結(jié)溫度1780-1900°C保溫30-150分鐘，燒結(jié)完畢后控制降溫，得到AlON透明陶瓷。步驟⑤將步驟④所得AlON透明陶瓷進(jìn)行磨平、拋光。 本發(fā)明的另一目的是提供由上述方法制備的AlON透明陶瓷。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用行星式球磨機(jī)對AlON粉體進(jìn)行球磨改性，改性后的粉體或具有單峰、細(xì)顆粒、窄分布的特點，或具有雙峰及多峰、窄分布的粒度分布特征，有利于提高坯體致密度和促進(jìn)燒結(jié)致密化。具有上述粒度分布特征的球磨改性后的AlON粉體，在無需添加成型劑的條件下壓片成型，無需再進(jìn)行冷等靜壓，坯體致密度較高，該坯體在燒結(jié)助劑的作用下可在低于1900°C的溫度下短時間保溫30-150min無壓燒結(jié)獲得具有80%以上透過率的AlON透明陶瓷。此外，該方法采用邊升溫邊抽真空技術(shù)，在充氮?dú)馇坝行艋藸t內(nèi)氣氛，有利于減少雜質(zhì)而提高產(chǎn)品的透過率。該方法成型方法簡單、成型設(shè)備成本低、操作簡單，原料粉末烘干效率高，燒結(jié)溫度低、保溫時間短、對設(shè)備要求不高，節(jié)能效果好，可用于制備異型構(gòu)件，應(yīng)用范圍廣，成本低、操作簡單易行、易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。


本發(fā)明附圖6幅，圖I(a)為球磨前AlON粉體的SEM圖片；圖I(b)為實施例I球磨后AlON粉體的SEM圖片；圖I(C)為實施例2球磨后AlON粉體的SEM圖片；圖I(d)為實施例3球磨后AlON粉體的SEM圖片；圖2(a)為球磨前AlON粉體的粒度分布圖譜；圖2(b)為實施例I球磨后AlON粉體的粒度分布圖譜；圖2(C)為實施例2球磨后AlON粉體的粒度分布圖譜；圖2(d)為實施例3球磨后AlON粉體的粒度分布圖譜；圖3Ca)為實施例I所得AlON透明陶瓷的XRD圖譜；圖3(b)為實施例2所得AlON透明陶瓷的XRD圖譜；圖3(C)為實施例3所得AlON透明陶瓷的XRD圖譜；圖4Ca)為實施例I所得AlON透明陶瓷的SEM圖片；圖4(b)為實施例2所得AlON透明陶瓷的SEM圖片；圖4(C)為實施例3所得AlON透明陶瓷的SEM圖片；圖5為實施例I所得AlON透明陶瓷的紅外透過率曲線；
圖6為實施例I所得AlON透明陶瓷的宏觀照片。
具體實施例方式下述非限制性實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實施例I①球磨將AlON粉體和O. 5wt. %的Y2O3以10mm、8mm、5mm的氮化娃球作為球磨介質(zhì)，球的級配是I: O. 8:1. 2、球料比為6:1，添加粉末質(zhì)量4倍的無水乙醇作為分散介質(zhì)，放 入聚四氟乙烯罐中以170r/min轉(zhuǎn)速球磨24h。如圖I (b)和圖2 (b)所示,獲得的粉體粒度小，具有雙峰、窄分布的粒度分布特征。球磨前粉體的SEM見圖I (a)、粒度分布見圖2 (a)。②烘干成型將步驟①所得AlON陶瓷粉體料漿在電熱板上150°C烘干60分鐘，過50目篩，然后在壓片機(jī)上以IOOMPa的壓力干壓成型得AlON坯體。③燒結(jié)爐預(yù)抽真空把步驟②成型的坯體放入石墨坩堝中，將石墨坩堝置于燒結(jié)爐中，常溫抽真空至10_3Pa后，邊升溫邊抽真空至KKKTC保溫，直到真空度降到10_2Pa，升溫速率是5 °C /min，關(guān)閉抽氣閥門，向爐內(nèi)充高純氮?dú)?。④燒結(jié)當(dāng)爐內(nèi)氮?dú)鈮毫槲⒄龎簳r，調(diào)整氮?dú)饬髁繛?.3L/min，繼續(xù)升溫，1000-1860°C升溫速度是 40°C /min，在 1860°C保溫 90min，再以 5°C /min 降溫到 1200°C，然后關(guān)閉電源隨爐卻。所制備的陶瓷相組成是AlON透明陶瓷，見圖3 (a)，晶粒尺寸約100 μ m,微觀結(jié)構(gòu)見圖4(a)，經(jīng)光學(xué)表面加工后測得紅外透過率超過80% (3_厚樣品)，見圖5，宏觀照片見圖6。實施例2其他步驟與實施例I相同，不同的是球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為250r/min,時間是24h。如圖I(c)和圖2 (c)所示，所得粉體具有細(xì)粒度、3峰的粒度分布特征。燒結(jié)溫度為1900°C，保溫時間為60min。所制備的陶瓷相組成是AlON透明陶瓷，見圖3(b)，微觀結(jié)構(gòu)見圖4(b)。實施例3其他步驟與實施例2相同，所不同的是球磨時間為36h。如圖I (d)和圖2 Cd)所示，所得粉體顆粒細(xì)小，且具有單峰的粒度分布特征，且粒度分布范圍窄，燒結(jié)溫度為1820°C，保溫時間為120min。所制備的陶瓷相組成是AlON透明陶瓷，見圖3 (C)，微觀結(jié)構(gòu)見圖4(c)。
權(quán)利要求
1.一種AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法，包括下述工藝步驟 ①球磨將AlON粉體和燒結(jié)助劑在行星式球磨機(jī)上以150-300r/min的轉(zhuǎn)速混合20-40h ； ②烘干成型將步驟①所得AlON陶瓷粉體料漿置于容器中于150°C烘干30-180分鐘，過篩，所得粉末干壓成型得AlON坯體； ③預(yù)抽真空把步驟②成型的坯體放入石墨坩堝中，將石墨坩堝置于燒結(jié)爐中，常溫抽真空至10_3Pa后，邊升溫邊抽真空至1000°C保溫，直到真空度降到10_2Pa，關(guān)閉抽氣閥門，向爐內(nèi)充高純氮?dú)猓? ④燒結(jié)當(dāng)爐內(nèi)氮?dú)鈮毫Τ饰⒄龎簳r，調(diào)整氮?dú)饬髁啃∮贠.4L/min,以升溫速率為15-600C /min升溫到燒結(jié)溫度1780-1900°C保溫30-150分鐘，燒結(jié)完畢后控制降溫，得AlON透明陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟①中球磨以氮化硅為球磨介質(zhì)、無水乙醇為分散介質(zhì)，其中氮化娃的磨球直徑分別是10mm、8mm、5mm和3mm,球的級配是1:0. 5^1: Tl. 5:Γ . 5，無水乙醇用量是AlON粉體質(zhì)量的3-5倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟②干壓成型采用40-100MPa軸向壓力加壓成型。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟③中升溫速率是5-10°C/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟④保溫結(jié)束后首先以5°C/min降溫到1200°C后隨爐冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法包括后處理步驟⑤將步驟④所得AlON透明陶瓷進(jìn)行磨平、拋光。
7.一種由權(quán)利要求I所述方法制備的AlON透明陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種AlON透明陶瓷的低溫快速制備方法，屬于透明陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用行星式球磨機(jī)對AlON粉體進(jìn)行球磨改性，改性后的粉體顆粒小，具有單峰、雙峰及多峰等粒度分布特征，同時還具有窄分布的特點，有利于提高坯體致密度促進(jìn)燒結(jié)致密化。具有上述粒度分布特征的球磨改性后的AlON粉體，在無需添加成型劑的條件下壓片成型，無需再進(jìn)行冷等靜壓，坯體致密度較高，該坯體在燒結(jié)助劑的作用下可在低于1900℃的溫度下短時間保溫獲得具有80%以上透過率的AlON透明陶瓷。該方法燒結(jié)溫度低、保溫時間短，節(jié)能效果好，對設(shè)備要求不高，可用于制備異型構(gòu)件，應(yīng)用范圍廣，成本低、操作簡單易行、易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號C04B35/622GK102875152SQ20121033857
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者單英春, 徐久軍 申請人:大連海事大學(xué)