专利名称：一种制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，具体说，是涉及一种采用 国产商业化高纯度氧化铝粉体为原料和低温无压烧结技术，制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷 的方法，属于氧化铝陶瓷材料制备技术领域。
背景技术：
氧化铝陶瓷的开发超过了半个多世纪，因其具有优良的力学性能、电性能、化学稳 定性，而且原料来源广泛，制造成本低，是制造高强度、耐磨损、耐高温等高性能陶瓷部件的 基础材料，被广泛地应用于机械、通讯、半导体、医药、食品、石油、化工和航空航天等领域。氧化铝陶瓷可以分为普通氧化铝陶瓷和高纯度氧化铝陶瓷。普通氧化铝陶瓷以95 氧化铝瓷和99氧化铝瓷为主，所制备的火花塞、真空管、磨介和密封件等在汽车、通讯、机 械和化工等行业获得了广泛的应用。然而，这类材料的烧结温度大于1650°C，材料的晶粒粗 大，抗弯强度约260 380MPa，同时造成大量的能源消耗和炉耗。高纯氧化铝陶瓷可分为细 晶高强氧化铝和透明氧化铝。前者主要应用于半导体加工行业如研磨板、导轨等；后者则主 要应用于电光源产业，如高压钠灯和陶瓷金卤灯的电弧管。目前，世界范围内制备高纯氧化铝陶瓷的原料主要依赖法国BAIK0WSKI、日本住友 化学工业和大明化学等公司。他们的粉体平均粒径小，粒度分布均勻，杂质含量极低，适于 制备细晶粒或透明氧化铝陶瓷。在制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷过程中，对原料粉体的要 求非常严格，必须以无团聚的高纯度亚微米或纳米级α-Α1203粉体为原料。实际上目前报 导的细晶高强高纯氧化铝陶瓷几乎完全采用了日本大明化学株式会社生产的TM-DAR型低 团聚高烧结活性α-Al2O3粉体为原料。同时为了实现低温烧结、控制晶粒长大，获得高性能 氧化铝陶瓷，几乎都是采用热压、热等静压或放电等离子体烧结等特殊烧结工艺，如中国专 利CN1304903A提出采用真空热压烧结工艺，在1500 1650°C下烧结得到的氧化铝陶瓷抗 弯强度达到610 660MPa。A. Krell则采用热等静压工艺制备出相对密度高于99. 95%的 亚微米晶氧化铝陶瓷，抗弯强度达到709士49MPa。赵喆(中国专利CN101306943A)和高濂 (中国专利CN101624290A)等人都是采用放电等离子体烧结工艺制备出了高性能的氧化铝 透明陶瓷。和无压烧结工艺相比，以上工艺需要特殊的烧结设备，投资大成本高，不适合大 规模的工业化生产。综上所述，鉴于国产高纯度氧化铝粉体的价格优势，对其进行改性处理，开发出一 种低温无压条件下烧结，兼顾力学性能和高致密度氧化铝陶瓷的制备方法将具有非常重要 的意义。
发明内容
本发明针对上述现有技术所存在的缺陷和问题，提供一种采用国产商业化高纯度 氧化铝粉体为原料、低温无压烧结技术，制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法。本发明提供的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，包括如下具体步骤
a)将高纯度氧化铝陶瓷球和国产商业化高纯度氧化铝粉体按10 1质量比加 入砂磨机中，以去离子水为研磨介质，加入适量的有机分散剂DOLAPIX CE64、无机分散剂 (NH4) 2S04及烧结助剂MgO，进行湿法研磨2 4小时；b)将得到的浆料在80 100°C下干燥20 30小时；c)过200目尼龙筛，然后置入马弗炉中于550 650°C下煅烧1 3小时；d)干压成型后经冷等静压处理得到氧化铝陶瓷素坯；e)将上述氧化铝陶瓷素坯置入马弗炉中，在1450 1600°C下进行无压烧结1 3小时。所述高纯度氧化铝陶瓷球是指氧化铝含量大于99. 9%，直径为3mm的氧化铝陶瓷 球。所述国产商业化高纯度氧化铝粉体是指主晶相为α相，纯度大于99. 99%，粉体 粒度分布不均勻，中位粒径D50为7 8 μ m的氧化铝粉体。步骤a)中的去离子水与氧化铝粉体的质量比优选为1 1 3 1。步骤a)中的有机分散剂DOLAPIX CE 64的体积用量优选为研磨介质去离子水体 积的0. 01 0. 5%。步骤a)中的无机分散剂(MM)2SO4的质量用量优选为氧化铝粉体质量的0. 01
2 % ο步骤a)中的烧结助剂MgO的质量用量优选为氧化铝粉体质量的0. 01 0. 1%。步骤d)中的冷等静压处理的压力优选为200MPa。步骤e)中的无压烧结条件优选为在1500°C下进行无压烧结2小时。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果1)通过对国产高纯度氧化铝粉体的研磨改性处理，降低了氧化铝粉体的团聚程度 和颗粒度，并使粉体具有均一的粒径分布，从而提高了粉体的烧结活性，有利于降低烧结温度。2)由于粉体烧结活性的提高，在较低温度1500°C下烧结就能得到相对密度高于 98%的高纯氧化铝陶瓷，且具有晶粒细小、强度高的优势，这对高纯氧化铝陶瓷的工业化生 产具有重要的意义。
图1为本发明所用的国产高纯度氧化铝粉体的粒径分布曲线图。图2为本发明所用的国产高纯度氧化铝粉体经过本发明的湿法研磨工艺处理后 的粉体的粒径分布曲线图。图3为本发明所用的国产高纯度氧化铝粉体的扫描电子显微照片。图4为本发明所用的国产高纯度氧化铝粉体经过本发明的湿法研磨工艺处理后 的粉体的扫描电子显微照片。图5为实施例1所制得的氧化铝陶瓷样品的断面显微结构照片。图6为实施例2所制得的氧化铝陶瓷样品的断面显微结构照片。图7为实施例3所制得的氧化铝陶瓷样品的断面显微结构照片。图8为实施例4所制得的氧化铝陶瓷样品的断面显微结构照片。
4
具体实施方法下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但决非限制本发明，本发明 也并非仅局限于实施例的内容。实施例1将SOOOg高纯度氧化铝陶瓷球和800g国产商业化高纯度氧化铝粉体加入砂磨机 中，再加入1600g去离子水作为研磨介质，及添加1.6ml有机分散剂DOLAPIX CE 由司马 化工有限公司提供、4g无机分散剂(NH4) 2S04、0. 4g烧结助剂MgO，进行湿法研磨3小时；将 研磨后的浆料置入90°C烘箱中，干燥24小时；过200目尼龙筛，然后置入马弗炉中于600°C 煅烧2小时；采用干压成型后经200MPa冷等静压处理得到氧化铝陶瓷素坯；将氧化铝陶瓷 素坯置入马弗炉中，在1450°C下进行无压烧结2小时，即制得氧化铝陶瓷样品。所用的高纯度氧化铝陶瓷球是指氧化铝含量大于99. 9%，直径为3mm的氧化铝陶 瓷球。所用的国产商业化高纯度氧化铝粉体是指主晶相为α相，纯度大于99. 99%，粉 体粒度分布不均勻，中位粒径D50为7 8 μ m的氧化铝粉体。本发明对所用的国产商业化高纯度氧化铝粉体在经湿法研磨处理前后的粉体中 的微量杂质元素进行了分析比较，结果见表1所示。表1在经湿法研磨处理前后的氧化铝粉体中的微量杂质元素含量
微量杂质元素含量质量份数(ppm)CaFeKNaSi湿法研磨处理前110<1214湿法研磨处理后110<1215由表1结果可见本发明所用的国产商业化高纯度氧化铝粉体在经本发明的湿法 研磨工艺处理后，氧化铝粉体中的微量杂质元素的含量没有发生大的改变，本发明的湿法 研磨工艺不会对氧化铝粉体造成二次污染。本发明还采用Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪对所用的国 产商业化高纯度氧化铝粉体在经湿法研磨处理前后的粉体的粒径分布进行了表征，结果见 图1和图2所示。由图1可见所用的国产商业化高纯度氧化铝粉体的粒径分布范围相 当宽，在亚微米到几十个微米之间；由图2可见所用的国产商业化高纯度氧化铝粉体经 过本发明的湿法研磨工艺处理后，氧化铝粉体的粒径分布得到了显著的改善，分布范围在 0. 1 1 μ m。本发明还采用扫描电子显微镜(SEM)对所用的国产商业化高纯度氧化铝粉体在 经湿法研磨处理前后的粉体的形貌和粒径大小进行了观察，结果见图3和图4所示。由图 3可见所用的国产商业化高纯度氧化铝粉体的粒径非常粗大，由许多团聚的小颗粒组成； 由图4可见所用的国产商业化高纯度氧化铝粉体经过本发明的湿法研磨工艺处理后，氧 化铝粉体的形貌为球形，粒径非常均勻，约为0. 2 0. 3 μ m，具有良好的分散性。本发明还对本实施例所制得的氧化铝陶瓷样品进行了以下性能测试
1)相对密度阿基米德排水法，测试结果见表2所示。2)抗弯强度将陶瓷样品加工成36X4X3mm试条，测试面双面抛光，用三点弯曲 法测量(每批样品测试5根试条，取平均值)，跨距30mm，压头速率0. 5mm/min,测试结果见 表2所示。3)维氏硬度将陶瓷样品表面抛光成镜面后，在AKASHI (AVK-A)显微硬度仪上进 行测试。每个数据点至少测试五个点，取其平均值，实验中载荷为49N，测试结果见表2所
7J\ ο本发明还采用扫描电子显微镜(SEM)对本实施例所制得的氧化铝陶瓷样品试条 的断面形貌进行了观察，结果见图5所示。由图5可见本实施例所制得的氧化铝陶瓷具有 晶粒尺寸一致性好，晶粒大小为2 μ m左右。实施例2本实施例与实施例1的不同之处仅在于将氧化铝陶瓷素坯置入马弗炉中，在 1500°C下进行无压烧结2小时，制得氧化铝陶瓷样品。其余内容均与实施例1中所述完全相同。本发明按实施例1中所述的测试方法对本实施例所制得的氧化铝陶瓷样品的相 对密度、抗弯强度及维氏硬度也进行了测试，测试结果见表2所示。本实施例所制得的氧化铝陶瓷样品试条的断面形貌见图6所示，由图6可见本实 施例所制得的氧化铝陶瓷相对于实施例1所制得的氧化铝陶瓷，致密度有所提高，但晶粒 尺寸略有长大，在3μπι左右。实施例3本实施例与实施例1的不同之处仅在于将氧化铝陶瓷素坯置入马弗炉中，在 1550°C下进行无压烧结2小时，制得氧化铝陶瓷样品。其余内容均与实施例1中所述完全相同。本发明按实施例1中所述的测试方法对本实施例所制得的氧化铝陶瓷样品的相 对密度、抗弯强度及维氏硬度也进行了测试，测试结果见表2所示。本实施例所制得的氧化铝陶瓷样品试条的断面形貌见图7所示，由图7可见本实 施例所制得的氧化铝陶瓷相对于实施例1所制得的氧化铝陶瓷，致密度显著提高，但晶粒 尺寸明显长大，达到5 μ m左右。实施例4本实施例与实施例1的不同之处仅在于将氧化铝陶瓷素坯置入马弗炉中，在 1600°C下进行无压烧结2小时，制得氧化铝陶瓷样品。其余内容均与实施例1中所述完全相同。本发明按实施例1中所述的测试方法对本实施例所制得的氧化铝陶瓷样品的相 对密度、抗弯强度及维氏硬度也进行了测试，测试结果见表2所示。本实施例所制得的氧化铝陶瓷样品试条的断面形貌见图8所示，由图8可见本实 施例所制得的氧化铝陶瓷相对于实施例1所制得的氧化铝陶瓷，致密度显著提高，但晶粒 尺寸明显长大，达到在5 IOym左右。表2实施例1 4所制得的氧化铝陶瓷样品的性能测试结果
权利要求
一种制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于，包括如下具体步骤a)将高纯度氧化铝陶瓷球和国产商业化高纯度氧化铝粉体按10∶1质量比加入砂磨机中，以去离子水为研磨介质，加入适量的有机分散剂DOLAPIX CE64、无机分散剂(NH4)2SO4及烧结助剂MgO，进行湿法研磨2～4小时；b)将得到的浆料在80～100℃下干燥20～30小时；c)过200目尼龙筛，然后置入马弗炉中于550～650℃下煅烧1～3小时；d)干压成型后经冷等静压处理得到氧化铝陶瓷素坯；e)将上述氧化铝陶瓷素坯置入马弗炉中，在1450～1600℃下进行无压烧结1～3小时。
2.根据权利要求1所述的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于所述高 纯度氧化铝陶瓷球是指氧化铝含量大于99. 9%，直径为3mm的氧化铝陶瓷球。
3.根据权利要求1所述的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于所述国 产商业化高纯度氧化铝粉体是指主晶相为α相，纯度大于99. 99%，粉体粒度分布不均勻， 中位粒径D50为7 8 μ m的氧化铝粉体。
4.根据权利要求1所述的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于步骤a) 中的去离子水与氧化铝粉体的质量比为1 1 3 1。
5.根据权利要求1所述的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于步骤a) 中的有机分散剂DOLAPIX CE 64的体积用量为研磨介质去离子水体积的0. 01 0. 5%。
6.根据权利要求1所述的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于步骤a) 中的无机分散剂(MM)2SO4的质量用量为氧化铝粉体质量的0. 01 2%。
7.根据权利要求1所述的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于步骤a) 中的烧结助剂MgO的质量用量为氧化铝粉体质量的0. 01 0. 1%。
8.根据权利要求1所述的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于步骤d) 中的冷等静压处理的压力为200MPa。
9.根据权利要求1所述的制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，其特征在于步骤e) 中的无压烧结条件为在1500°C下进行无压烧结2小时。
全文摘要
本发明公开了一种制备细晶高强高纯氧化铝陶瓷的方法，是首先将高纯度氧化铝陶瓷球和国产商业化高纯度氧化铝粉体按10∶1质量比加入砂磨机中，以去离子水为研磨介质，加入适量的有机分散剂DOLAPIX CE 64、无机分散剂(NH4)2SO4及烧结助剂MgO，进行湿法研磨2～4小时；然后将得到的浆料在80～100℃下干燥20～30小时，过200目尼龙筛，置入马弗炉中于550～650℃下煅烧1～3小时；再干压成型后经冷等静压处理得到氧化铝陶瓷素坯，最后将上述素坯置入马弗炉中，在1450～1600℃下进行无压烧结1～3小时。本发明制备工艺简单，原料成本低，及低温烧结降低了能耗，适合规模化生产。
文档编号C04B35/10GK101993239SQ201010564529
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者周国红, 张海龙, 杨燕, 王利, 王士维 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所