包含铝酸镁尖晶石的陶瓷烧结体的制作方法

本发明涉及一种包含具有立方晶体结构的式mgal2o4的尖晶石的陶瓷烧结体。该尖晶石陶瓷烧结体可使用如本文所公开的方法和材料制备。更具体地，该陶瓷烧结体可根据预期应用被机加工成各种特定形式或部件。该尖晶石陶瓷烧结体的应用可以是在室温和升高的温度下都需要高机械强度的应用，诸如在航天器窗中；需要高化学侵蚀抗性的应用，诸如在化学加工应用中；需要宽能带间隙和对基于卤素的等离子体环境的耐化学性的应用，如在半导体加工应用中使用、在高温下和在腐蚀性环境中进行的光谱学中使用，尤其是在不利环境中用作高能激光系统的出射窗孔所要求的；以及其他应用。

背景技术：

1、陶瓷可用于多种行业，诸如汽车、航空航天、半导体、光学和医学等。陶瓷通常提供高压缩强度、低热膨胀、高热导率、优异的耐化学性以及有利的介电和光学性质。在陶瓷领域内，组成为mgal2o3的尖晶石因优异的化学、热、介电、机械和光学性质而受到特别关注。然而，由于各种原因，制造包含尖晶石的陶瓷烧结体，特别是大尺寸的陶瓷烧结体具有挑战性。

2、为了促进尖晶石材料的致密化，经常使用诸如lif等烧结助剂。在需要高纯度的应用中，存在于烧结陶瓷中的烧结助剂与陶瓷制品的最终用途不相容，因此排除了它们在需要大约99.99％及更高的高纯度的应用中的使用。烧结助剂也可能造成以下问题，即它们的特定性质可能以不期望的方式改变烧结陶瓷中的电、磁或其他性质。例如，存在于尖晶石陶瓷中的烧结助剂诸如lif可促进晶粒生长，从而降低弯曲强度并限制其在结构应用或需要一定机械强度水平的任何应用中的使用。尖晶石材料中lif和其他烧结助剂的存在也可能排除其例如在半导体室应用中作为诸如盘或窗、衬垫、气体喷射器、环和圆柱等部件使用，其中需要高等离子体腐蚀和溶蚀抗性而不在加工室中引入污染。

3、尖晶石陶瓷的制备经常使用包含尖晶石mgal2o4的起始粉末，该起始粉末在许多情况下为具有平均小于约200nm的粒度和大约大于20m2/g的表面积的纳米粉末。这导致起始物质的成本高昂，以及在陶瓷的制备和烧结过程中难以加工和处理粉末。

4、已知立方尖晶石诸如mgal2o4是化学惰性的并表现出高耐腐蚀性。然而，已知尖晶石难以用传统方法烧结至所需的高密度，导致在成品部件中保留巨大的孔隙率。烧结尖晶石通常需要在约1600℃及更高的高温下保持延长的时间段。这些高温和长烧结持续时间导致过度的晶粒生长，从而不利地影响机械强度。在促进致密化的尝试中也经常使用大约80mpa及更高的高压。使用诸如80mpa及更高的高压需要能够在大尺寸上产生这些压力的昂贵烧结设备。

5、制造可以在不破损或破裂的情况下处理和使用的固体陶瓷体，特别是由尖晶石制成的大尺寸(>100mm)的固体陶瓷体的尝试通常在制造中具有挑战性。生产尖晶石的已知工艺是昂贵的并且需要多个加工步骤，诸如使用有机粘结剂，冷压以形成生坯，在空气中烧制以烧尽粘结剂，在高温(超过1700℃)下真空烧结大约一天或更长的长持续时间，之后进行热等静压。生产尖晶石体的制造步骤需要昂贵的资本设备并且可能需要几天的生产时间。

6、在促进尖晶石化合物致密化的进一步尝试中，通常使用烧结助剂来降低烧结温度。然而，添加烧结助剂可便于晶粒过度生长，从而降低强度，并且也有效地降低耐腐蚀性和耐溶蚀性，增加在需要高纯度环境的应用诸如半导体加工中杂质污染的可能性。

7、目前没有用于制备在广泛的应用中使用的大陶瓷烧结体或部件的商业上可行的有成本效益的制造方法，这些大陶瓷烧结体或部件包含尺寸为100mm至600mm的高纯度(>99.999％)且高密度的尖晶石mgal2o4。

8、因此，需要一种陶瓷烧结体和一种制造该陶瓷烧结体的简化方法，该陶瓷烧结体包含组成为mgal2o4的尖晶石并包含立方晶体相，具有高密度和增强的耐化学性和耐腐蚀性并且特别适合于大尺寸的部件和烧结体形式。

技术实现思路

1、这些和其他需要通过如本文所公开的各种实施方案、方面和配置来解决：

2、实施方案1.一种陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体包含组成为mgal2o4的铝酸镁尖晶石并具有90体积％至100体积％的立方晶体结构和3.47g/cc至3.58g/cc的密度，其中陶瓷烧结体不含烧结助剂。

3、实施方案2.根据实施方案1所述的陶瓷烧结体，其中烧结助剂包括元素锂和锂化合物。

4、实施方案3.根据实施方案1所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有3.49g/cc至3.58g/cc的密度。

5、实施方案4.根据实施方案3所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有3.56g/cc至3.58g/cc的密度。

6、实施方案5.根据实施方案1所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有90体积％至99.95体积％的立方晶体结构。

7、实施方案6.根据实施方案5所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有95体积％至99.5体积％的立方晶体结构。

8、实施方案7.根据实施方案1所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体包含占陶瓷烧结体的99质量％及以上的立方晶体结构。

9、实施方案8.根据前述实施方案中任一项所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如通过icpms测量的99.99％或更高的总纯度。

10、实施方案9.根据实施方案8所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如通过icpms测量的99.9975％或更高的总纯度。

11、实施方案10.根据实施方案9所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如通过icpms测量的99.9995％或更高的总纯度。

12、实施方案11.根据前述实施方案中任一项所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如通过icpms测量的10ppm或更少的总杂质含量。

13、实施方案12.根据实施方案11所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如通过icpms测量的5ppm或更少的总杂质含量。

14、实施方案13.根据前述实施方案中任一项所述的陶瓷烧结体，其中陶瓷烧结体是多晶的。

15、实施方案14.根据前述实施方案中任一项所述的陶瓷烧结体，其中如根据astme112-2010测量，平均晶粒尺寸为0.5μm至20μm。

16、实施方案15.根据实施方案14所述的陶瓷烧结体，其中如根据astm e112-2010测量，平均晶粒尺寸为2μm至15μm。

17、实施方案16.根据实施方案15所述的陶瓷烧结体，其中如根据astm e112-2010测量，平均晶粒尺寸为3μm至10μm。

18、实施方案17.根据前述实施方案中任一项所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如根据astm c1327使用0.2kgf的所施加负荷测量的13.5gpa至16.5gpa的硬度。

19、实施方案18.根据实施方案17所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如根据astmc1327使用0.2kgf的所施加负荷测量的14.5gpa至15.5gpa的硬度。

20、实施方案19.根据前述实施方案中任一项所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有100mm至622mm的最大尺寸。

21、实施方案20.根据实施方案19所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有200mm至622mm的最大尺寸。

22、实施方案21.根据实施方案19所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如在最大尺寸上测量的0.2％至小于5％的密度变化。

23、实施方案22.根据实施方案21所述的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体具有如在最大尺寸上测量的0.2％至3％的密度变化。

24、实施方案23.一种制备陶瓷烧结体的方法，该方法包括以下步骤：a.将氧化镁粉末和氧化铝粉末组合以制备粉末混合物，其中粉末混合物具有高于99.995％的总纯度，并且粉末混合物不含烧结助剂；b.通过施加热以将粉末混合物的温度升高至600℃至1000℃的温度来煅烧粉末混合物，并将煅烧温度保持4小时至12小时的持续时间以形成经煅烧的粉末混合物；c.将经煅烧的粉末混合物设置在由烧结设备的工具组限定的体积内并在该体积内产生真空条件；d.对经煅烧的粉末混合物施加5mpa至60mpa的压力，同时加热至1000℃至1700℃的烧结温度并进行烧结，以形成陶瓷烧结体；以及e.降低陶瓷烧结体的温度，其中陶瓷烧结体包含组成为mgal2o4的铝酸镁尖晶石并具有90体积％至100体积％的立方晶体结构和3.47g/cc至3.58g/cc的密度。

25、实施方案24.根据实施方案23所述的方法，其中烧结助剂包括元素锂和锂化合物。

26、实施方案25.根据实施方案23或24所述的方法，其中工具组包括：石墨模具，该石墨模具具有一定体积、内壁、第一开口和第二开口；以及与该模具可操作地联接的第一冲头和第二冲头，其中第一冲头和第二冲头中的每一者均具有外壁，该外壁限定的直径小于模具的内壁的直径，从而当第一冲头和第二冲头中的至少一者在模具的体积内移动时在第一冲头和第二冲头中的每一者与模具的内壁之间产生间隙。

27、实施方案26.根据实施方案25所述的方法，其中模具的内壁与第一冲头和第二冲头中的每一者的外壁之间的间隙是10μm至100μm的距离。

28、实施方案27.根据实施方案23至26中的一项所述的方法，其中烧结温度为1000℃至1650℃。

29、实施方案28.根据实施方案27所述的方法，其中烧结温度为1200℃至1600℃。

30、实施方案29.根据实施方案23至28中任一项所述的方法，其中在加热至烧结温度的同时对经煅烧的粉末混合物施加5mpa至59mpa的压力。

31、实施方案30.根据实施方案29所述的方法，其中压力为5mpa至40mpa。

32、实施方案31.根据实施方案29所述的方法，其中压力为5mpa至20mpa。

33、实施方案32.根据实施方案23至28中任一项所述的方法，其中在加热至烧结温度的同时对经煅烧的粉末混合物施加小于50mpa的压力。

34、实施方案33.根据实施方案23至32中任一项所述的方法，其中烧结陶瓷体具有100mm至622mm的最大尺寸。

35、实施方案34.根据实施方案33所述的方法，其中烧结陶瓷体具有200mm至622mm的最大尺寸。

36、实施方案35.根据实施方案23至34中任一项所述的方法，其中陶瓷烧结体具有如在最大尺寸上测量的0.2％至小于5％的密度变化。

37、实施方案36.根据实施方案35所述的方法，其中陶瓷烧结体具有如在最大尺寸上测量的0.2％至3％的密度变化。

38、实施方案37.根据实施方案23至36中任一项所述的方法，其中经煅烧的粉末混合物包含氧化铝和氧化镁。

39、实施方案38.根据实施方案23至37中任一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：f.通过施加热使陶瓷烧结体的温度升高达到退火温度进行退火来对陶瓷烧结体进行退火；以及g.降低经退火的陶瓷烧结体的温度。

40、实施方案39.根据实施方案38所述的方法，该方法还包括以下步骤：h.机加工陶瓷烧结体以产生呈立方体、盘、板、环、圆柱、弯曲板、管、圆顶、窗、环、喷嘴、卡盘、淋喷头、喷射器形状的陶瓷烧结体部件。

41、实施方案40.一种用于制造半导体制造室部件的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体通过根据实施方案23至38中任一项所述的方法制备。