分享氧化鋁透明陶瓷工藝技術

發布時間:2020-04-20 15:50:42 星期一
摘要:

氧化鋁透明陶瓷材料是第一個實現透明的陶瓷材料。它具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度、化學穩定性和生物相容性等結 […]

氧化鋁透明陶瓷材料是第一個實現透明的陶瓷材料。它具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度、化學穩定性和生物相容性等結構陶瓷所固有的屬性,同時具備透光這一功能屬性,已經在能源、機械、軍工、電子、半導體、醫學等高技術領域得到越來越多的應用。

圖1 (a)透明氧化鋁托槽 (b)透明氧化鋁裝甲

一. 氧化鋁透明陶瓷及其制備技術

自二十世紀六十年代美國通用公司發現了第一個氧化鋁透明陶瓷以來,在半個多世紀里,陶瓷領域的科研工作者們通過改進氧化鋁透明陶瓷的成型與燒結工藝,使得氧化鋁透明陶瓷在力學、光學以及產業化應用方面均取得了巨大進步。

(一)透明陶瓷的定義及影響因素

德國Fraunhofer研究所Krell等人嚴格區分了“透明”與“半透明”兩個概念,Krell等人認為只有與物體隔著一定距離而仍然具有良好透明度的陶瓷才是透明陶瓷,否則只能稱為半透明陶瓷。我國一般認為直線透光率在可見光區域的最大值超過15%可稱為透明陶瓷。

圖2 半透明、介質透明與全透明陶瓷

光線透過陶瓷多晶體的光線損失主要包括三部分

1、表面反射損失,對于氧化鋁而言一般為7~8%;

2、第二相損失(氣孔、雜質、第二晶相等),由于第二相與陶瓷基體的折射率有顯著差異而造成的光線損失。如氧化物陶瓷折射率一般為1.3~2.7,而氣孔即光線在空氣中的折射率為1.003;

3、所有非等軸晶系的晶界上均存在雙折射,雙折射可產生額外光散射。如氧化鋁陶瓷晶界的兩個折射率為1.760和1.768。因此,影響陶瓷透明性的因素包括氣孔率,晶粒尺寸,晶體結構對稱性,晶界結構,表面加工光潔度等。

(二) 氧化鋁透明陶瓷的制備技術

由上一部分的描述我們可知氧化鋁透明陶瓷在制備過程中對各方面的要求都很高。在生產過程中常涉及的制備技術主要包括以下幾個部分。

1

粉末原料

制備氧化鋁透明陶瓷對原始粉末的要求極高,需要滿足純度、粒度、晶型三個方面的要求。純度須高于99.9%,粒度一般為亞微米級(0.1μm~1μm)甚至納米級,晶型為α相。目前通常采用碳酸鋁銨或硫酸鋁銨熱解法制備這類α-Al2O3粉末。

2

燒結助劑

為了實現氧化鋁陶瓷的高度致密化,一般需要加入微量的燒結助劑。MgO是最為經典的制備氧化鋁透明陶瓷的燒結助劑,高純Al2O3燒結過程中加入少量MgO(加入量為0.05~0.25wt%)可有效抑制晶粒過分長大。

關于MgO在抑制Al2O3晶粒異常生長的作用機理,目前尚未達成共識,有關解釋主要包括如下三種:

a 晶界上溶質偏析,通過溶質拖拽機制抑制晶粒的不連續生長(“雜質—偏析”理論)。

b 晶界上第二相釘扎抑制晶粒的不連續生長(“第二相釘扎”理論)。

c 通過缺陷結構的改變提升與晶粒生長速率相關的燒結速率(“固溶”理論)。

此外,還可使用Y2O3、La2O3、TiO2、MnO、CaO等,也可將這些氧化物與MgO進行多元共滲,多元助燒劑共滲有利于透明度的提高。

圖3 TiO2 /CaO助燒劑共滲熱等靜壓制備的氧化鋁透明陶瓷掃描照片

3

燒結方法

常規的燒結方法無法滿足制備氧化鋁透明陶瓷的要求,制備透明陶瓷常用的燒結方法有:a氣氛與真空燒結、b熱等靜壓燒結、c放電等離子體燒結等。

a. 氣氛與真空燒結

通過常壓燒結制備的氧化鋁陶瓷通常會有1~3%的殘余氣孔,而通過在真空或者氣氛中燒結可使氧化鋁坯體產生大量氧空位,加速O2-的擴散,使坯體致密化速率加快,這樣可以使殘余氣孔更容易排除。

b. 熱等靜壓燒結

熱等靜壓(HIP)是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產技術,加熱溫度可以達到2000℃;通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質,其工作壓力可達200MPa以上。在高溫高壓的共同作用下,能夠將常壓燒結下難以消除的閉口氣口排除,可制備出高透明度的亞微米級氧化鋁陶瓷。由于利用此種方法制備的氧化鋁透明陶瓷晶粒尺寸細小,使得陶瓷的機械性能非常優異。

圖4 熱等靜壓燒結爐示意圖

c. 放電等離子體燒結

放電等離子燒結(SPS)是將原料粉末裝入石墨等材質制成的模具內,利用上、下模沖及通電電極將特定燒結電源和壓制壓力施加于原料粉末,經放電活化、熱塑變形和冷卻完成燒結過程。由于SPS能夠快速燒結和可在較低溫度下實現精細陶瓷結構的致密化,近幾年被廣泛地應用于制備氧化鋁透明陶瓷。

圖5 放電等離子燒結示意圖

二、氧化鋁透明陶瓷的應用

氧化鋁透明陶瓷具有優異的光學性能而且耐高溫,照明領域是氧化鋁透明陶瓷最早的應用領域。高壓鈉燈是一種發光效率很高的電光源,但在鈉燈蒸汽放電時會產生1000℃以上的高溫,具有很強的腐蝕性,在發明使用了氧化鋁透明陶瓷后才使得高壓鈉燈得到了實際的應用,主要用于道路、港口、機場、車站、廣場、建筑物的泛光照明等場所。氧化鋁透明陶瓷除用于照明領域外,還具有很廣泛的用途。

氧化鋁透明陶瓷的其他應用領域

1、在機械工業中

用來制造車床上的高速切削刀、汽輪機葉片、噴氣發動機的零件等;

2、在化學工業中

用作高溫耐腐蝕材料以代替傳統材料等;

3、在國防軍事中

氧化鋁透明陶瓷可以做成導彈等飛行器的窗口和整流罩等;

4、在儀表工業中

用作高硬度材料以代替各類寶石等;

5、在電子工業中

用來制造印刷線路的基板等;

6、在日用生活中

用來制作各種高級器皿、餐具等。