一种制备大尺寸AlON透明陶瓷的方法与流程

本发明属于透明陶瓷制备技术领域，特别涉及一种可用于制备大尺寸AlON透明陶瓷的制备方法。

背景技术：

AlON是Al₂O₃和AlN的固溶体，为立方尖晶石结构，具有较好的机械性能，且其硬度和熔点都很高。其光学各向同性的性质，使得它成为一种制备透明陶瓷的优良选择。AlON的透光范围较宽从近紫外到中红外区域都有很高的透过率，其透光波段为0.2～6μm，在0.3～3μm之间的最高透过率高达80%以上。AlON的很多性能都可与单晶蓝宝石相比拟，而单晶蓝宝石的生产工艺昂贵，且难制备大尺寸或是形状复杂的晶体，与之相比，AlON陶瓷在这方面就占据了明显的优势，多晶AlON透明陶瓷的制备成本低廉，并可用传统的陶瓷制备方法就可实现大尺寸或是复杂形状陶瓷的制备。因此，AlON透明陶瓷成为代替蓝宝石用作透明装甲、红外窗口材料的有力候选材料之一。

AlON透明陶瓷的常用制备方法主要有两种，一种是一步反应法，主要是将Al₂O₃和AlN粉末按一定比例均匀混合，然后通过烧结同时实现Al₂O₃和AlN的固相反应合成AlON及烧结致密化，从而制备出ALON透明陶瓷；另一种是先制备出高纯的AlON粉体，再将其烧结成高致密的AlON透明陶瓷。第一种方法需要使用高纯、超细的AlN粉体，增加了成本，且整个过程难以控制，容易出现局部烧结而导致晶粒形貌不均和阻碍烧结致密现象。烧结碳热还原法合成的高纯AlON粉体是有效的、低成本、易于工业化生产AlON透明陶瓷的典型两步制备法。本发明中自制的高纯AlON粉体就是用碳热还原法制备的。

制备AlON透明陶瓷需要粉料具有很高的烧结活性，AlON的烧结动力学与1/r²呈正比，r为粉体颗粒半径，这就是说透明AlON陶瓷的烧结需要使用粒径小的粉体，而目前制得的大部分AlON大多存在着或多或少的团聚，需要通过研磨来打开团聚、细化粉体。目前常用的AlON粉体的研磨方式均采用行星式球磨。如，专利CN102875152B用AlON粉体为原料与0.5wt%的Y₂O₃烧结助剂再行星式球磨机上以170r/min的转速球磨24h，获得粒度小，具有双峰、窄分布的粒度特征，通过干压成型和1860℃烧结获得了红外透过率超过80%的AlON陶瓷样品。再如，专利CN104387081A使用化学共沉淀方法先制备Al/C的前躯体，再经过碳热还原合成AlON粉体，再与0.08wt%Y₂O₃ 、0.02wt%La₂O₃ 、0.2wt%MgO烧结助剂混合球磨30min，球磨后的粉体压成Φ20mm的素坯，最后经过1900℃保温12h无压烧结得到了透过率63.3%的AlON透明陶瓷。而行星式球磨通常一次性处理粉料少，或者为达到所需超细粒径所需时间很长，通常需要20h以上，因此，该方法不易于用来制备大尺寸AlON透明陶瓷，或是制备效率很低，难以满足工业化要求。

技术实现要素：

本发明主要解决了上述问题，提供了一种可批量化快速细化粉体的方法，添加合适的烧结助剂，结合无压烧结工艺可用来制备大尺寸透明AlON陶瓷。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种制备大尺寸AlON透明陶瓷的方法，包括以下工艺步骤：

（1）以自制高纯AlON粉体为原料，添加质量比0.15%～0.4%的Y₂O₃烧结助剂加入无水乙醇搅拌配制成固含量30%~60%的浆料，将所得浆料放入砂磨机中进行砂磨，砂磨时间为5～10h，取出砂磨好的浆料，烘干，过200目筛，过筛后的粉料在600℃下除碳，保温时间4～16h；

（2）将所得粉料在10～60MPa下进行干压成型，干压后的样品置于冷等静压机中在150～300MPa下进一步致密化成型，获得更高密度且密度均匀的坯体；

（3）将所得的坯体放入高纯石墨坩埚中，在高温石墨炉中进行烧结，烧结温度为1900～1950℃，保温时间4～12h；

（4）将得到的AlON陶瓷进行双面光学抛光，得到透明AlON陶瓷；

所述高纯AlON粉体的纯度>99.9%，平均粒径为22μm，乙醇纯度为分析纯以上；

所述砂磨机中磨球的直径<2mm，纯度>99.5%；

所述砂磨后的粉体粒径<1μm；

所述坯体放入石墨坩埚内用AlON粉填埋，烧结时的气氛为微正压的高纯氮气气氛。

本发明的有益效果在于：所使用的原料为高纯AlON粉体，粉体的细化处理方式采用砂磨，相较于普遍采用的行星式球磨方式，其具有细化处理时间短，效果好，并可一次性处理大量粉体，提高了粉体细化效率，解决了行星式球磨所带来的球磨时间长，处理粉量小，制备大尺寸AlON透明陶瓷样品周期长等缺点。再结合合适的烧结助剂，配以相应的烧结制度，可高效的制备大尺寸AlON透明陶瓷。

附图说明

图1～3分别为实施例1～3中砂磨后粉体的SEM形貌图。

图4～6分别为实施例1～3中烧结抛光后陶瓷片的直线透过率。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

以高纯自制AlON粉体为原料，加入0.25wt%的Y₂O₃为烧结助剂，两种混合粉体加入无水乙醇配成固含量50%的浆料搅拌均匀，所得浆料放入砂磨机中进行砂磨5h，烘干，烘干后的粉体过200目筛，在600℃下除碳，保温时间为4h，如图1所示，砂磨后所得粉体平均粒径<1μm；

将所得除碳粉体在油压机上以10MPa的压力进行压制成Φ5cm*5mm的圆片，随后将所得素坯在冷等静压机上以200MPa的压力进一步提高坯体密度；

将所得坯体置于高纯石墨坩埚中，用高纯AlON粉体填埋，在高纯氮气气氛下，在高温石墨炉中1930℃进行烧结6h，得到高致密AlON陶瓷烧结体；

将得到的陶瓷烧结体进行双面光学抛光，得到了透明度为72%的AlON透明陶瓷，如图4。

实施例2

以高纯自制AlON粉体为原料，加入0.25wt%的Y₂O₃为烧结助剂，用无水乙醇将混合粉体配成固含量40%的浆料搅拌均匀，所得浆料放入砂磨机中进行砂磨8h，烘干，烘干后的粉体过200目筛，在600℃下除碳，保温时间为6h，如图2所示，砂磨后所得粉体平均粒径<1μm；

将所得除碳粉体以10MPa的压力进行压制成Φ10cm厚1cm的圆片，再以200MPa的压力进一步进行冷等静压；

将所得坯体置于高纯石墨坩埚中，用高纯AlON粉体埋烧，烧结温度为1930℃，保温时间为8h，得到高致密AlON陶瓷烧结体；

将得到的陶瓷烧结体进行双面光学抛光，得到了透明度为71%的AlON透明陶瓷，如图5。

实施例3

以高纯自制AlON粉体为原料，加入0.35wt%的Y₂O₃为烧结助剂，用无水乙醇配成固含量45%的浆料搅拌均匀，然后放入砂磨机中砂磨10h，烘干，烘干后的粉体过200目筛，在600℃下除碳，保温时间为10h，如图3所示，所得粉体平均粒径在1μm以下；

将所得除碳粉体在油压机上以30MPa的压力进行压制成Φ20cm厚2cm的圆片，随后将所得素坯在冷等静压机上以250MPa的压力进一步提高坯体密度；

将所得坯体置于高纯石墨坩埚中，用高纯AlON粉体埋烧，在高纯氮气气氛下1940℃进行烧结10h，得到高致密AlON陶瓷烧结体；

将得到的陶瓷烧结体进行双面光学抛光，得到了透明度为67%的AlON透明陶瓷，如图6。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。