专利名称：制备透明MgAlON陶瓷的方法及透明MgAlON陶瓷的制作方法
技术领域：
本发明属于无机非金属陶瓷领域，具体是一种用放电等离子烧结制备透明MgAlON陶瓷的方法及透明MgAlON陶瓷。
背景技术：
透明MgAlON陶瓷是一种新型的光学陶瓷材料，具有优异的光学、介电、物理和机械性能，其光学性能比蓝宝石晶体、石英玻璃、热压MgF2等光学材料更为优异，在紫外、可见光、红外光波段具有良好的透过率。可广泛用于制造导弹头罩、透明装甲、各种高温高压设备观察窗、红外波段窗口材料及制导和光电对抗装置中。但是透明MgAlON陶瓷面临的最主要问题是难以制造。目前国内外制备透明MgAlON陶瓷所采用的方法皆是两步法即先采用固相反应烧结或碳热还原氮化法合成高纯MgAlON粉，然后在利用热压烧结或热等静压烧结在高温下制备透明MgAlON陶瓷。这种方法的最大缺点是难度大，工艺复杂，生产过程难以控制，生产周期长，生产成本高。由于从热力学上讲，MgAlON能够稳定存在的氧氮分压范围很小，因此合成过程中必须严格控制气氛的组成，氧气的分压一般要控制在10-19MPa左右，才有可能得到高纯或单相MgAlON粉料，另外反应烧结和碳热还原氮化法皆需要1650℃以上的高温和长的反应时间，一般为几个小时以上。此外在合成MgAlON粉料的过程中，还伴随这各种副反应的发生，这一点在碳热还原过程中尤为显著。如此严格的气氛控制、如此高的合成温度、如此长的反应时间给目前MgAlON粉料的合成带了极大的困难和高昂的生产成本。即使合成出高纯或单相的MgAlON陶瓷粉料，要制备出透明的MgAlON陶瓷也相当困难，因为MgAlON粉料的烧结性很差，需要高温(1800℃以上)、高压(氮气压力约为150MPa)且严格的气氛(高纯氮气)保护下进行。因此目前这种先合成MgAlON粉料，在加压烧结制备透明MgAlON陶瓷的方法具有很大的难度。
发明内容
本发明的目的是解决目前透明MgAlON陶瓷难以制备的问题，提供一种简单可行、快速高效的制备透明MgAlON陶瓷的方法以及按照此方法制得的透明MgAlON陶瓷。
本发明制备透明MgAlON陶瓷的方法采用如下步骤a、取高纯含镁化合物、高纯含铝化合物及AlN配制高纯原料，其中各组分的质量百分含量分别是，高纯含镁化合物0.5～25％、高纯含铝化合物60～90％、高纯AlN 0.5～15％；b、将所述高纯原料放入球磨罐中，以乙醇为介质共磨12～36小时，干燥后得混合粉料；c、将所述混合粉料置于石墨模具中，然后放入放电等离子烧结炉中，施加10～100MPa压力，进行烧结，升温速率为50～400℃/min，烧结温度为1500～1800℃，保温后随炉冷却至室温，即得透明MgAlON陶瓷。
采用上述方法能够制得透明MgAlON陶瓷，该透明MgAlON陶瓷中各组分的质量百分组成为MgO 0.5～25％，Al2O360～85％，AlN 0.5～15％。该透明MgAlON陶瓷的光学性能为0.3～0.5μm可见光波段透过率为60～80％，3.0～5.0μm红外波段透过率为60～85％。
本发明方法可制得另一种透明MgAlON陶瓷，该透明MgAlON陶瓷是由Mg、Al、O和N四种元素所构成，其中N元素的质量百分含量为0.5～5％。该透明MgAlON陶瓷的光学性能为0.3～0.5μm可见光波段透过率为60～80％，3.0～5.0μm红外波段透过率为60～85％。
放电等离子烧结技术是一种崭新的烧结工艺，其显著的特点是升温速率快、烧结温度低、烧结时间短。其基本原理是用脉冲大电流通过加压的被烧结体，使被烧结体内部颗粒间发生放电激发等离子，从而使每个颗粒均匀地自身发热和表面活化，传质和传热过程瞬时完成，在极短的时间内使被烧结体致密化。由于MgAlON的形成实际上是MgO、Al2O3和AlN之间的固溶过程。由于放电等离子烧结能够除去粉料颗粒表面的惰性膜，使颗粒表面活化，从而能够在很短的时间内完成固溶过程，形成单相的MgAlON陶瓷。由于放电等离子烧结是在高度真空条件下进行且反应时间很短，一般只要几分钟到几十分钟，因此能有效地避免传统烧结过程中严格的气氛控制和各种副反应的不利影响。在反应烧结形成MgAlON的过程中又能完全致密化而得到透明MgAlON陶瓷，这就将MgAlON陶瓷的合成和致密化结合为一体，从而避免了传统方法先制备高纯MgAlON粉料，然后再热压烧结制备透明陶瓷所带来的一系列难题。
本发明的优点在于它以高纯含镁化合物、含铝化合物及AlN为原料，采用放电等离子烧结技术，通过合理的烧结工艺，经反应烧结直接制备出一定组成和规格的透明MgAlON陶瓷，解决了传统工艺制备透明MgAlON陶瓷工艺复杂，生产周期长、生产成本高的难题。本方法工艺简单、高效，能够一步制备出透明MgAlON陶瓷。所制备的透明MgAlON陶瓷N元素的质量百分含量为0.5～5％，可见光波段透过率60～80％，在3.0～5.0μm红外波段透过率为60～85％，可广泛应用于各种高温窗口及国防科技等领域中的各种透波部件。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明进一步说明。
本制备透明MgAlON陶瓷的方法以高纯含镁化合物、含铝化合物及AlN为原料，采用放电等离子烧结技术，通过合理的烧结工艺，经反应烧结直接制备出一定组成和规格的透明MgAlON陶瓷。具体方法为a、取高纯含镁化合物、高纯含铝化合物及AlN配制高纯原料，其中各组分的质量百分含量分别是，高纯含镁化合物5～25％、高纯含铝化合物60～90％、高纯AlN 0.5～15％；b、将所述高纯原料放入球磨罐中，以乙醇为介质共磨12～36小时，干燥后得混合粉料；c、将所述混合粉料置于石墨模具中，然后放入放电等离子烧结炉中，施加10～100Mpa的轴向压力，施加800～3500A的脉冲电流，使炉内温度以50～400℃/min的升温速率升至1500～1800℃，进行烧结，保温0～2h后，将炉温快速降到600℃以下，然后随炉冷却至室温，即制得透明MgAlON陶瓷。
其中，高纯含镁化合物可以采用纯度不低于99.9％的MgO、或Mg(OH)2或MgCO3，高纯含铝化合物可以采用纯度不低于99.9％的Al2O3、或Al(OH)2。
球磨罐中使用的磨球可以采用高纯刚玉质磨球、或高纯Al2O3磨球等。
按照上述方法可制得质量百分组成为MgO 0.5～25％，Al2O360～85％，AlN 0.5～15％的透明MgAlON陶瓷。该透明MgAlON陶瓷的光学性能为0.3～0.5μm可见光波段透过率为60～80％，3.0～5.0μm红外波段透过率为60～85％。
按照上述方法还可制得N元素的质量百分含量为0.5～5％的透明MgAlON陶瓷。该透明MgAlON陶瓷的光学性能为0.3～0.5μm可见光波段透过率为60～80％，3.0～5.0μm红外波段透过率为60～85％。
上述透明MgAlON陶瓷为片状结构，厚度为0.5～10mm，横截面积为100mm2。
下面为两个具体的实施例。
实施例1将纯度为99.99％的MgO、Al2O3和AlN粉料按质量百分含量为MgO10％、Al2O380％、AlN 10％的比例配料，然后放入球磨罐中以无水乙醇为介质共磨12h并干燥后制得混合粉料。将混合粉料装入放电等离子烧结炉的石墨模具中。以200℃/min的升温速率将温度升至1750℃并保温60min。升温及保温过程中施加的压力为40MPa。保温结束后，在6min内将炉温降至600℃以下。完全冷却后取出样品，即得到透明MgAlON陶瓷。
实施例2将纯度为99.99％的Mg(OH)2、Al(OH)3及AlN粉料按质量百分含量为MgO 20％、Al2O370％、AlN 10％的比例配料，然后放入球磨罐中以无水乙醇为介质共磨12h并干燥后制得混合粉料。将混合粉料装入放电等离子烧结炉的石墨模具中。以200℃/min的升温速率将温度升至1000℃并保温20min，保温结束后将温度升至1800℃并保温60min。升温及保温过程中施加的压力为40MPa。保温结束后，在6min内将炉温降至600℃以下。完全冷却后取出样品，即得到透明MgAlON陶瓷。
实施例3将纯度为99.99％的Mg(OH)2、Al(OH)3及AlN粉料按质量百分含量为MgO 20％、Al2O365％、AlN 15％的比例配料，然后放入球磨罐中以无水乙醇为介质共磨24h并干燥后制得混合粉料。将混合粉料装入放电等离子烧结炉的石墨模具中烧结，采用实施例2所述的工艺条件，即可制得透明MgAlON陶瓷。
权利要求
1.一种制备透明MgAlON陶瓷的方法，其特征是包括以下步骤a、取高纯含镁化合物、高纯含铝化合物及高纯AlN配制高纯原料，其中各组分的质量百分含量分别是，高纯含镁化合物0.5～25％、高纯含铝化合物60～90％、高纯AlN 0.5～15％；b、将所述高纯原料放入球磨罐中，以乙醇为介质共磨12～36小时，干燥后得混合粉料；c、将所述混合粉料置于石墨模具中，然后放入放电等离子烧结炉中，施加10～100MPa压力，进行烧结，升温速率为50～400℃/min，烧结温度为1500～1800℃，保温后随炉冷却至室温，即得透明MgAlON陶瓷。
2.根据权利要求1所述制备透明MgAlON陶瓷的方法，其特征是步骤c中，放电等离子烧结时的保温时间为0～2小时，保温结束后，将炉温快速降到600℃以下，然后随炉冷却至室温。
3.根据权利要求1所述制备透明MgAlON陶瓷的方法，其特征是所述高纯含镁化合物是纯度不低于99.9％的MgO、或Mg(OH)2、或MgCO3，高纯含铝化合物是纯度不低于99.9％的Al2O3、或Al(OH)2，高纯AlN原料的纯度不低于99.9％。
4.根据权利要求1所述制备透明MgAlON陶瓷的方法，其特征是烧结时的脉冲电流为800～3500A。
5.根据权利要求1所述制备透明MgAlON陶瓷的方法，其特征是所制得的片状透明MgAlON陶瓷的光学性能是0.3～0.5μm可见光波段透过率为60～80％，3.0～5.0μm红外波段透过率为60～85％。
6.根据权利要求1方法制备的透明MgAlON陶瓷，其特征是该透明MgAlON陶瓷中各组分的质量百分组成为MgO 0.5～25％，Al2O360～85％，AlN 0.5～15％。
7.根据权利要求1方法制备的透明MgAlON陶瓷，其特征是该透明MgAlON陶瓷是由Mg、Al、O和N四种元素所构成，其中N元素的质量百分含量为0.5～5％。
8.根据权利要求6或7所述透明MgAlON陶瓷，其特征是该透明MgAlON陶瓷的光学性能为0.3～0.5μm可见光波段透过率为60～80％，3.0～5.0μm红外波段透过率为60～85％。
9.根据权利要求6或7所述透明MgAlON陶瓷，其特征是所述的透明MgAlON陶瓷为片状结构，厚度为0.5～10mm，横截面积为100mm2。
全文摘要
本发明涉及透明MgAlON陶瓷的制备方法及透明MgAlON陶瓷，它以高纯含镁化合物、含铝化合物及AlN为原料，采用放电等离子烧结技术，经反应烧结直接制备出一定组成和规格的透明MgAlON陶瓷。本方法工艺简单、高效。所制备的透明MgAlON陶瓷N元素的质量百分含量为0.5～5％，可见光波段透过率60～80％，在3.0～5.0μm红外波段透过率为60～85％，可广泛应用于各种高温窗口及国防科技等领域中的各种透波部件。
文档编号C04B35/10GK1709823SQ20051003530
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月21日 优先权日2005年6月21日
发明者张厚兴, 黄勇, 李海峰, 万之坚, 黄晴 申请人:清华大学深圳研究生院