专利名称：一种具有高红外透过率的α塞隆陶瓷材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种具有高红外透过率的陶瓷材料阿尔发塞隆(α-Sialon)及其制备方法。更确切的说是提供一种用高纯度的氮化硅、氮化铝、氧化铝和稀土氧化物为主要原料，通过仔细控制的热压烧结工艺，制备出具有高红外透过率的阿尔发塞隆(α-Sialon)陶瓷材料及其相应的制备方法。该材料还有好的力学性能。
背景技术：
随着照明技术、光学、特种仪器制造、无线电子学、高温技术以及军事工业的发展，对作为外罩及窗口材料的透明陶瓷提出了更为苛刻的使用要求，除了要求在一定波长范围具有较高透过率外，还要求材料具有其他方面的优良性能如更高的力学性能。一些传统材料往往存在着这样或那样的不足，例如，传统玻璃、Si、Ge单晶等材料在高温、剧烈摩擦环境下会很快失去透光性能，因而在高温实时观察、导弹红外制导等方面受到限制。很多光学玻璃的透过波长范围短，当温度超过500℃时，玻璃的透光性急剧下降，而且玻璃同样存在不耐磨的问题。与此相比，高性能陶瓷的制备成本就低得多，掺杂易均匀，容易制成尺寸大、形状复杂的部件，而且一些陶瓷材料如氮化硅基陶瓷具有优良的力学性能。鉴于以上种种原因，多晶陶瓷在光学方面的应用一直受到重视。
关于透光性陶瓷的报道可追溯到1962年，即R.L.Coble制备出半透明烧结氧化铝。从那以后经过几十年的研究发展，已经制备了MgO、Al2O3、MgAl2O4、Y3Al5O12(YAG)等从可见到红外高透光率的氧化物陶瓷，并在红外激光窗口、高温窗口、红外制导导弹球罩以及高温或强辐射下工作的照相镜头等领域得以应用，另外也有关于非氧化物如AlN、AlON透明陶瓷的报道，但研究还不成熟。与氧化物相比，大多非氧化物不仅室温强度较高，而且在高温时也具有很好的力学性能。它们还具有优良的抗剧冷剧热冲击性能。因此，如果具有较好的光学性能就有望能在更苛刻的条件下使用。
Sialon是Si3N4的固溶体，是有K.H.Jack等人在1972年首先提出的。对应Si3N4的α-和β-两种变型体，Sialon的两种结构的固溶体分别称为α-Sialon和β-Sialon。对于α-Sialon而言，比已知氧化物基的透明材料具有更高的热震稳定性和抗氧化性；比已知非氧化物基透明材料具有更宽的颜色范围，更容易烧结。但长期以来，主要将α-Sialon作为典型的结构陶瓷加以研究，很少注意它的功能应用方面。直到最近几年才逐渐有关于α-Sialon透光性的报道，如B.S.B.Karunaratne报道了具有相对高透明度的不同颜色的α-Sialon陶瓷，H.Mandal用热等静压及热处理制备出半透明的α-Sialon，M.Jones et al则报道了在可见光波段具有较高透过率的α-β-Sialon复合材料。但这些透光性研究结果都是在样品相当薄(0.5mm)时得到的，也没有很系统的相关研究。而且，目前国外没有公开的有关高透红外的Sialon陶瓷的专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高红外透过率的陶瓷材料阿尔发塞隆(α-Sialon)及其制备方法。
本发明的目的是通过下列方式实施的。即结合已有的Ln2O3-Si3N4-AlN-Al2O3多元系统中α-Sialon相平面的知识，利用质量百分比不小于99.5％的高纯氮化硅、氮化铝、氧化铝及稀土氧化物，通过仔细控制的热压烧结工艺，制备出具有高红外透过率的陶瓷材料阿尔发塞隆(α-Sialon)。
具体的说(1)根据已有的Ln2O3-Si3N4-AlN-Al2O3多元系统中α-Sialon相平面的知识，以α-Sialon通式MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n中的x、m、n为选择组份点的参数，m＝3x，0.3＜m＜1.2，0.6＜n＜2.0。M为Dy，Y，Gd，Yb，Nd中的任何一种或按一定比例不同种的相互复合。单一稀土氧化物或不同稀土氧化物复合掺杂时，总的掺杂量应控制在质量百分比为5-20％范围内(2)原料包括质量百分比不小于99.5％的高纯氮化硅粉、氮化铝粉、氧化铝粉和稀土氧化物粉。按上述(1)的组成配比称量后，在塑料罐中以无水乙醇为分散介质，Si3N4球为球磨介质混合24小时，取出浆料烘干后，经不低于100目的筛网过筛。
(3)制备混合好的粉料放于石墨模具中，再将装好粉料的模具放在热压炉内。为了防止粉料和石墨模具发生反应，模具内表面涂有氮化硼粉。烧成前先抽真空，然后通入流动N2保护气。烧结过程中先经过必要的1500-1650℃范围内0.5-2小时的中间热压烧结过程，然后升高温度到1700-1800℃，高温热压烧结时间为1-5小时。烧结过程中的平均升温速率为10-50℃/min，热压压力不低于15MPa。烧完后待样品自然冷却后取出，用磨床及抛光机对样品加工到要求尺寸和光洁度，就得到具有优良透光性的α-Sialon材料。
(4)材料该材料中的唯一结晶相为α-Sialon。对1.0mm厚的样品，在红外波段的最大透过率不小于60％。对1.5mm厚的样品，在红外波段的最大透过率不低于50％。该材料的硬度达到20GPa，断裂韧性达到5.0MPa·m1/2。
本发明的优点是(1)制备工艺有自身的特点，且相对简单；工艺容易控制，制备该材料所需要的时间短；容易制备大尺寸及形状复杂的部件。
(2)材料具有优良透红外性能。对1.0mm和1.5mm厚的样品，在红外波段的最大透过率分别不低于60％和50％。
(3)材料的力学性能好。材料的硬度可达到20GPa，断裂韧性可达5MPa·m1/2。
图1是本发明提供的实施例1制备出的陶瓷材料的XRD图。
图2是本发明提供的实施例1得到的陶瓷材料的显微结构形貌照片。
图3是本发明提供的实施例1得到1.0mm和1.5mm厚的陶瓷材料在红外波段的透过率曲线。
图4是本发明提供的实施例1得到的陶瓷材料照片。左图样品厚度为1.0mm，右图样品厚度为1.5mm。
具体实施例方式
实施例1用氧化镝掺杂，以质量百分比大于99.5％的高纯氮化硅粉、氮化铝粉、氧化铝粉为原料。在α-Sialon单相平面内选择配料点，将配好的粉料在塑料罐中以无水乙醇为分散介质，用氮化硅为球磨介质，球磨24小时。混好的料烘干后采用前面所述的热压烧结工艺制备出Dy-α-Sialon材料，再用磨床和抛光机加工得到要求的陶瓷材料。用Si粉做内标，XRD测定结果为单相α-Sialon，其XRD图谱和显微结构分别如图1和图2所示。制备成的1.0mm厚样品在红外波段内的最大透过率达到65.7％，1.5mm厚样品的最大红外透过率达到52％。样品在红外波段内的透过率曲线分别如图3所示。制备出1.0mm和1.5mm厚的材料样品见图4。经检测，该材料的硬度为20GPa，断裂韧性为5.1MPa·m1/2。
实施例2用氧化钇为掺杂剂，应用实施例1所述的高纯氮化硅、氮化铝和氧化铝原料，采用实施例1的工艺制备出的单相α-Sialon材料在1.0mm和1.5mm厚时仍分别具有不低于60％和50％的红外透过率，同时具有好的力学性能。
实施例3采用氧化镝和氧化钇复合掺杂，应用实施例1所述的高纯原料和热压工艺，制备出的单相α-Sialon在1.0mm和1.5mm厚时仍分别具有不小于60％和50％的红外透过率，具有优良的力学性能。
实施例4采用氧化钆为掺杂剂，采用实施例1所述的工艺和高纯氮化硅、氮化铝和氧化铝原料，制备出的α-Sialon材料在1.0mm和1.5mm厚时仍分别具有不小于60％和50％的红外透过率，同时具有好的力学性能。
实施例5采用氧化镱为掺杂剂，应用实施例1所述的高纯氮化硅、氮化铝和氧化铝原料，采用实施例1的工艺制备出的α-Sialon材料仍具有优良的透红外性能和力学性能。
权利要求
1.一种具有高红外透过率的陶瓷材料α塞隆陶瓷材料，其特征在于所述的α-Sialon通式为MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n，式中，m＝3x，0.3＜m＜1.2，0.6＜n＜2.0，M为Dy，Y，Gd，Yb，Nd五种稀土元素中的单一稀土或不同稀土复合进行掺杂。
2.按权利要求1所述的一种具有高红外透过率的陶瓷材料α塞隆，其特征在于利用单一稀土氧化物或不同稀土氧化物复合掺杂时，总的掺杂量应控制在质量百分比为5-20％范围内。
3.按权利要求所述的一种具有高红外透过率的陶瓷材料α塞隆陶瓷材料的制备方法，其特征在于(1)质量百分比不小于99.5％的高纯氮化硅、氮化铝、氧化铝和稀土氧化物粉体为主要原料，按MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n配料，式中0.3＜m＜1.2，0.6＜n＜2.0，m＝3x，M为Dy，Y，Gd，Yb，Nd五种稀土元素中的一种或它们的复合。(2)配料后以无水乙醇为分散介质，以Si3N4球为球磨介质，在塑料罐中混合24小时，取出浆料烘干；(3)烧结过程中先经过必要的在1500-1650℃范围内有0.5-2小时的中间热压烧结过程，然后再升高温度至1700-1800℃热压1-5h。烧结在流动氮气气氛中进行。热压压力不小于15MPa。
4.按权利要求3所述的一种具有高红外透过率的陶瓷材料α塞隆陶瓷材料的制备方法，其特征在于浆料烘干后，过筛不低于100目。
全文摘要
本发明涉及一种具有高红外透过率的陶瓷材料阿尔发塞隆(α－Sialon)陶瓷材料及其制备方法，属于氮化硅基陶瓷应用及制备领域。其特征在于前面所述的α－Sialon陶瓷材料在红外波段范围内都具有优良透光性能。其特征还在于使用质量百分比不小于99.5％的高纯Si
文档编号C04B35/597GK1546429SQ20031010901
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月3日 优先权日2003年12月3日
发明者苏新禄, 王佩玲, 陈卫武, 程一兵 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所