专利名称：一种用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法
技术领域：
本发明涉及氧化铝陶瓷的制备方法，特别是一种用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法。
背景技术：
蓝宝石性能卓越质量容易控制，容易加工成无残余应力和损伤的超光滑表面， 在一些基底应用中成为首选材料，在下列四个行业得以广泛应用1.蓝光LED基底材料 (BLED's) ；2.红外探测器；3.砷化镓晶片(GaAs) ；4.微波集成电路材料。蓝宝石还可应用于光学，航空航天、分析仪器、医学等领域，尤其是可以在紫外和红外波段中使用，超出了传统光学材料所能适用的光谱范围。高温和恶劣环境中更需要蓝宝石晶体。生长蓝宝石晶体的主要方法为泡生法，目前世界上70-80%的高质量蓝宝石都是用泡生法生产的。其原理是将氧化铝原料放在坩埚中加热熔化，再引晶生长晶体。这个过程中氧化铝烧结体的纯度是至关重要的。利用硫酸铝铵生产的氧化铝通过火焰法制备蓝宝石中已经使用了一百年，其最大的优点是粉体活性高，在火焰中容易熔化，但是生长出的宝石晶体缺陷太多、杂质含量高， 无法用于光学领域，更不能用作衬底材料。后来，将这种氧化铝用火焰法制备出透明的氧化铝多晶颗粒作为泡生法生长蓝宝石的原料取得了成功。不过这种原料存在很多问题，主要在于下列几个方面(1)硫酸铝铵热分解法会产生巨大的环境污染，1000克硫酸铝铵只能得到100克的氧化铝，特别是在蓝宝石需求达到很大的数量时，其环境代价是无法忍受的； (2)无法得到超高纯度的氧化铝粉(5N) ； (3)得到的氧化铝颗粒在坩埚中的填充密度只有 70%，单炉生产效率低；(4)颗粒的制备需要大量的氢气和氧气，制备成本高。本世纪初发明的通过金属铝胆碱水解法制备的高纯氧化铝粉，因为其质量和成本优势，迅速在高纯氧化铝领域取得了统治地位，特别是在蓝宝石晶体原料方面更是显示出其巨大的优势。通过仔细控制制备工艺，可以得到5N超高纯度的氧化铝粉末，将这种氧化铝粉末压制烧结，可以得到85-90%的理论密度的烧结体。然而这种方法却不能得到5N纯度的氧化铝烧结体，原因在于其制造过程中的污染所致。首先，由于这种氧化铝颗粒大、活性差，成型性能不好，需要加入粘结剂才能较好实现；其次，压制过程中模具磨损造成污染， 氧化铝属于莫氏硬度9级的材料，对模具的磨损非常严重，这种磨损会造成很严重的污染； 第三，烧结过程中发热体和耐火材料的挥发也会对其造成的污染。目前现有技术还未报道有超高纯度、超高密度的氧化铝烧结体的制备方法。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于通过对原材料准备、坯体成型和烧结工艺的改进，提供一种用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法，使用该方法生长出的蓝宝石晶体无色透明、缺陷少，可用来制备用于LED基底的蓝宝石晶片。本发明的目的是这样实现的一种用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法，其特征在于环境条件为生产车间净化需在10000级以上；原料采用5N纯度的氧化铝粉；粘结剂采用P型氧化铝；压制模具为99. 99%纯度以上的氧化铝陶瓷；烧结炉为微波烧结炉；制备步骤为在聚氨酯球磨罐中加入5N纯度的氧化铝粉、5N纯度的P型氧化铝、去离子水和钢芯聚氨酯球，球磨混合5小时，倒出后在聚乙烯塑料袋中密封放置12小时，过60目筛网，填入氧化铝陶瓷模具中以50MI^压强压制，得到的毛坯，将毛坯放入微波烧结炉中，0. 5小时升温到1850°C，在1850°C保持0. 5小时，随炉降温，得到的5N纯度的氧化铝烧结体。本发明的目的还可以这样实现所述的环境条件为生产车间净化需在1000级以上。所述的压制模具为99. 99%纯度以上的整体烧结的氧化铝陶瓷、金属模具内镶嵌的氧化铝陶瓷或者在金属模具上喷涂的氧化铝涂层。5N纯度的氧化铝粉、5N纯度的P型氧化铝、去离子水和钢芯聚氨酯球的重量比例为5N纯度的氧化铝粉3公斤5N纯度的P型氧化铝30克去离子水60克钢芯聚氨酯球5公斤。本发明的具有如下优点和显著的进步利用本发明的制备方法获得到的氧化铝烧结体，用激光烧蚀配合ICP-MS分别检测陶瓷表面和内部的纯度，与所使用的5N氧化铝粉体相比没有发现杂质有明显变化。将20公斤氧化铝烧结体块放入泡生法晶体生长炉，坩埚的填充率可以达到90%，得到的蓝宝石晶体无色透明，肉眼观察没有任何夹杂或微小气泡等缺陷，检测其位错密度为512条每平方厘米。实验证明，利用本发明的制备方法获得到的氧化铝烧结体生长出的蓝宝石晶体无色透明、缺陷少，可用来制备用于LED基底的蓝宝石晶片。激光烧蚀是利用激光脉冲能量集中的特点将样品局部瞬间蒸发气化的采集样品的方法，其特点是不需要一般ICP分析对样品的液态溶解过程，避免了因样品污染而造成的分析结果不稳定。
具体实施例方式制备5N纯度的氧化铝烧结体，生产环境的洁净度是非常重要的，特别是在中国， 空气中的悬浮颗粒物非常多，在室内空气流动速度慢，稍微大点儿的颗粒就会发生沉降，对粉体的纯度产生巨大影响，所以没有净化设备的车间是不可能能生产出5N纯度的材料。在洁净度10000级的车间中，能发生沉降的颗粒已经很少，基本能达到生产这个纯度产品对环境的要求。当然，如果对杂质有进一步的要求，可以将净化级别提高到1000级甚至100 级。水解法制备的氧化铝颗粒度大约为20-30微米，通过粉碎提高其成型和烧结活性的余地是非常有限的，而且任何粉碎都会或多或少的带入杂质，这是制备5N纯度的氧化铝陶瓷非常忌讳的。所以对5N氧化铝粉体最好不要再进行粉碎处理。20-30微米的高纯氧化铝粉末其形态就像细沙粒一样，并且其惰性非常强，相互之
4间没有任何粘接性，在模具中直接压制成型没有任何可行性。为了提高其成形性，最好的办法就是加入粘结剂。普通的有机粘结剂在制备过程中多数都使用了催化剂，并且粘结剂在制备过程中会带入杂质。虽然高分子物质在高温下可以分解为可挥发的物质而去除，但是制备粘结剂过程中带入的杂质在高温下无法分解挥发，会留下0. 1-0. 5%的灰分，这些灰分会对5N氧化铝的纯度造成致命损害。将5N的氢氧化铝制备成P型氧化铝，这种P型氧化铝加入水分后会产生氢氧化铝和薄姆石溶胶，薄姆石溶胶可以起到粘接和固化作用。另外， 在氢氧化铝或氧化铝中加入适量硝酸也可以形成溶胶起到粘接作用，但是高温下分解出的氧化氮会对环境造成污染，同时会腐蚀烧结炉。在成型过程中，模具对氧化铝陶瓷造成的污染也是不容忽视的。首先，采用金属模具，即使是淬火模具钢，其硬度也比氧化铝颗粒的硬度小很多，在压制过程中氧化铝颗粒对模具的磨损非常大，甚至烧结完成后在氧化铝陶瓷的表面都可以看到红褐色的氧化铁。其次，塑料模具因为无法承受大的压制力而无法使用。为了克服这个问题，发明人创造性地采用金属模具内部镶嵌5N高纯度陶瓷衬套，上下压头采用5N氧化铝陶瓷，这种设计可以有效解决模具的污染问题。整体采用氧化铝陶瓷的模具也是可行的，但是造价会高得多，可靠性低得多。采用等离子喷涂的方法在金属模具表面喷涂一层氧化铝，也可以达到相同的效果， 但是涂层的致密度只有80%，同时与金属的结合力是有限的，在长时间反复的交变应力作用下易发生脱落。烧结炉中耐火材料和发热体的挥发物也会对5N氧化铝烧结体的纯度造成损害。 微波烧结炉在陶瓷材料烧结中的应用已有二十年的历史，这种烧结炉一经出现就引起了极大的关注，因为其加热原理与原来人们对炉子的认识完全不同，可以对烧结体进行快速烧结，同时可以达到目前烧结炉所不能达到的高温；此外烧结时微波能量同时直接作用在陶瓷表面和内部，烧结温度分布非常均勻，升温速度非常快，得到的烧结体组织均勻，此外因为只有要烧结的陶瓷发热，没有发热体，周围保温材料的温度也比较低，所以烧结出的陶瓷纯度极高，密度很大。现在随着微波加热技术的成熟，制造成本已经下降很多，使用可靠性越来越高，炉子的尺寸可以做得很大，用于工业生产是完全可行的。实施例在10升聚氨酯球磨罐中加入3公斤5N纯度的氧化铝粉、30克5N纯度的P型氧化铝、去离子水60克和钢芯聚氨酯球5公斤，球磨混合5小时，倒出后在聚乙烯塑料袋中密封放置12小时，过60目筛网，填入镶嵌5N纯度的氧化铝衬套的模具中以50MPa压强压制，得到的尺寸Φ 200*30mm的毛坯，将毛坯放入微波烧结炉中，0. 5小时升温到1850°C，在1850°C 保持0. 5小时，随炉降温，得到的氧化铝烧结体陶瓷尺寸为Φ 161*24mm，密度为3. 85g/cm3, 为蓝宝石理论密度的96. 25%。用激光烧蚀配合ICP-MS分别检测陶瓷表面和内部的纯度， 与所使用的5N纯度的氧化铝粉体相比没有发现杂质有明显变化。将20公斤氧化铝烧结体陶瓷块放入泡生法晶体生长炉，坩埚的填充率可以达到 90%，得到的蓝宝石晶体无色透明，肉眼观察没有任何夹杂或微小气泡等缺陷，检测其位错密度为512条每平方厘米。
权利要求
1.一种用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法，其特征在于环境条件为生产车间净化需在10000级以上；原料采用5N纯度的氧化铝粉；粘结剂采用P型氧化铝；压制模具为99. 99%纯度以上的氧化铝陶瓷；烧结炉为微波烧结炉；制备步骤为在聚氨酯球磨罐中加入5N纯度的氧化铝粉、5N纯度的P型氧化铝、去离子水和钢芯聚氨酯球，球磨混合5小时，倒出后在聚乙烯塑料袋中密封放置12小时，过60目筛网，填入氧化铝陶瓷模具中以50MPa压强压制，得到的毛坯，将毛坯放入微波烧结炉中，0. 5小时升温到 1850°C，在1850°C保持0. 5小时，随炉降温，得到的5N纯度的氧化铝烧结体。
2.根据权利要求1所述的用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法，其特征在于所述的环境条件为生产车间净化需在1000级以上。
3.根据权利要求1所述的用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法，其特征在于所述的压制模具为99. 99%纯度以上的整体烧结的氧化铝陶瓷、金属模具内镶嵌的氧化铝陶瓷或者在金属模具上喷涂的氧化铝涂层。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法，其特征在于5N纯度的氧化铝粉、5N纯度的P型氧化铝、去离子水和钢芯聚氨酯球的重量比例为5N纯度的氧化铝粉3公斤5N纯度的P型氧化铝30克去离子水60克钢芯聚氨酯球5公斤。
全文摘要
一种用于生长蓝宝石晶体的高纯氧化铝烧结体的制备方法，其特征在于生产车间净化需在10000级以上；制备步骤为在聚氨酯球磨罐中加入5N纯度的氧化铝粉、5N纯度的ρ型氧化铝、去离子水和钢芯聚氨酯球，球磨混合5小时，倒出后在聚乙烯塑料袋中密封放置12小时，过60目筛网，填入氧化铝陶瓷模具中以50MPa压强压制，得到的毛坯，将毛坯放入微波烧结炉中，0.5小时升温到1850℃，在1850℃保持0.5小时，随炉降温，得到的5N纯度的氧化铝烧结体。利用本发明的制备方法获得到的氧化铝烧结体生长出的蓝宝石晶体无色透明、缺陷少，可用来制备用于LED基底的蓝宝石晶片。
文档编号C04B35/622GK102173756SQ20111003166
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者李庆丰, 王建堂, 骆如河, 骆如田, 骆树立, 骆胜华, 骆胜磊 申请人:河北恒博精细陶瓷材料有限公司