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氧化铝透明陶瓷工艺及应用简述
2017/3/13

YANGHUALVTOUMINGTAOCICAILIAOSHIDIYIGESHIXIANTOUMINGDETAOCICAILIAO。TAJUYOUNAIGAOWEN、NAIFUSHI、GAOQIANGDU、GAOYINGDU、HUAXUEWENDINGXINGHESHENGWUXIANGRONGXINGDENGJIEGOUTAOCISUOGUYOUDESHUXING,TONGSHIJUBEITOUGUANGZHEIYIGONGNENGSHUXING,YIJINGZAINENGYUAN、JIXIE、JUNGONG、DIANZI、BANDAOTI、YIXUEDENGGAOJISHULINGYUDEDAOYUELAIYUEDUODEYINGYONG。


图1 (a)透明氧化铝托槽 (b)透明氧化铝装甲

YI. YANGHUALVTOUMINGTAOCIJIQIZHIBEIJISHU

ZIERSHISHIJILIUSHINIANDAIMEIGUOTONGYONGGONGSIFAXIANLEDIYIGEYANGHUALVTOUMINGTAOCIYILAI,ZAIBANGEDUOSHIJILI,TAOCILINGYUDEKEYANGONGZUOZHEMENTONGGUOGAIJINYANGHUALVTOUMINGTAOCIDECHENGXINGYUSHAOJIEGONGYI,SHIDEYANGHUALVTOUMINGTAOCIZAILIXUE、GUANGXUEYIJICHANYEHUAYINGYONGFANGMIANJUNQUDELEJUDAJINBU。


(一)透明陶瓷的定义及影响因素

DEGUOFraunhoferYANJIUSUOKrellDENGRENYANGEQUFENLE“TOUMING”YU“BANTOUMING”LIANGGEGAINIAN,KrellDENGRENRENWEIZHIYOUYUWUTIGEZHEYIDINGJULIERRENGRANJUYOULIANGHAOTOUMINGDUDETAOCICAISHITOUMINGTAOCI,FOUZEZHINENGCHENGWEIBANTOUMINGTAOCI。WOGUOYIBANRENWEIZHIXIANTOUGUANGLVZAIKEJIANGUANGQUYUDEZUIDAZHICHAOGUO15%KECHENGWEITOUMINGTAOCI。

 TU2 BANTOUMING、JIEZHITOUMINGYUQUANTOUMINGTAOCI

光线透过陶瓷多晶体的光线损失主要包括三部分
1、表面反射损失,对于氧化铝而言一般为7~8%;
2、第二相损失(气孔、杂质、第二晶相等),由于第二相与陶瓷基体的折射率有显著差异而造成的光线损失。如氧化物陶瓷折射率一般为1.3~2.7,而气孔即光线在空气中的折射率为1.003;
3、所有非等轴晶系的晶界上均存在双折射,双折射可产生额外光散射。如氧化铝陶瓷晶界的两个折射率为1.760和1.768。因此,影响陶瓷透明性的因素包括气孔率,晶粒尺寸,晶体结构对称性,晶界结构,表面加工光洁度等。

(ER) YANGHUALVTOUMINGTAOCIDEZHIBEIJISHU

YOUSHANGYIBUFENDEMIAOSHUWOMENKEZHIYANGHUALVTOUMINGTAOCIZAIZHIBEIGUOCHENGZHONGDUIGEFANGMIANDEYAOQIUDOUHENGAO。ZAISHENGCHANGUOCHENGZHONGCHANGSHEJIDEZHIBEIJISHUZHUYAOBAOKUOYIXIAJIGEBUFEN。

1
 粉末原料
制备氧化铝透明陶瓷对原始粉末的要求极高,需要满足纯度、粒度、晶型三个方面的要求。纯度须高于99.9%,粒度一般为亚微米级(0.1μm~1μm)甚至纳米级,晶型为α相。目前通常采用碳酸铝铵或硫酸铝铵热解法制备这类α-Al2O3粉末。

2
 烧结助剂
为了实现氧化铝陶瓷的高度致密化,一般需要加入微量的烧结助剂。MgO是最为经典的制备氧化铝透明陶瓷的烧结助剂,高纯Al2O3烧结过程中加入少量MgO(加入量为0.05~0.25wt%)可有效抑制晶粒过分长大。

GUANYUMgOZAIYIZHIAl2O3JINGLIYICHANGSHENGZHANGDEZUOYONGJILI,MUQIANSHANGWEIDACHENGGONGSHI,YOUGUANJIESHIZHUYAOBAOKUORUXIASANZHONG:

 a JINGJIESHANGRONGZHIPIANXI,TONGGUORONGZHITUOZHUAIJIZHIYIZHIJINGLIDEBULIANXUSHENGZHANG(“ZAZHI—PIANXI”LILUN)。

b JINGJIESHANGDIERXIANGDINGZHAYIZHIJINGLIDEBULIANXUSHENGZHANG(“DIERXIANGDINGZHA”LILUN)。

c 通过缺陷结构的改变提升与晶粒生长速率相关的烧结速率(“固溶”理论)。
此外,还可使用Y2O3、La2O3、TiO2、MnO、CaO等,也可将这些氧化物与MgO进行多元共渗,多元助烧剂共渗有利于透明度的提高。

 
图3 TiO2 /CaO助烧剂共渗热等静压制备的氧化铝透明陶瓷扫描照片

3
 烧结方法
常规的烧结方法无法满足制备氧化铝透明陶瓷的要求,制备透明陶瓷常用的烧结方法有:a气氛与真空烧结、b热等静压烧结、c放电等离子体烧结等。

a. 气氛与真空烧结
通过常压烧结制备的氧化铝陶瓷通常会有1~3%的残余气孔,而通过在真空或者气氛中烧结可使氧化铝坯体产生大量氧空位,加速O2-的扩散,使坯体致密化速率加快,这样可以使残余气孔更容易排除。

b. 热等静压烧结
热等静压(HIP)是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术,加热温度可以达到2000℃;通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质,其工作压力可达200MPa以上。在高温高压的共同作用下,能够将常压烧结下难以消除的闭口气口排除,可制备出高透明度的亚微米级氧化铝陶瓷。由于利用此种方法制备的氧化铝透明陶瓷晶粒尺寸细小,使得陶瓷的机械性能非常优异。

 
图4 热等静压烧结炉示意图

c. 放电等离子体烧结
放电等离子烧结(SPS)是将原料粉末装入石墨等材质制成的模具内,利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于原料粉末,经放电活化、热塑变形和冷却完成烧结过程。由于SPS能够快速烧结和可在较低温度下实现精细陶瓷结构的致密化,近几年被广泛地应用于制备氧化铝透明陶瓷。

 
图5 放电等离子烧结示意图

ER、YANGHUALVTOUMINGTAOCIDEYINGYONG

YANGHUALVTOUMINGTAOCIJUYOUYOUYIDEGUANGXUEXINGNENGERQIENAIGAOWEN,ZHAOMINGLINGYUSHIYANGHUALVTOUMINGTAOCIZUIZAODEYINGYONGLINGYU。GAOYANADENGSHIYIZHONGFAGUANGXIAOLVHENGAODEDIANGUANGYUAN,DANZAINADENGZHENGQIFANGDIANSHIHUICHANSHENG1000℃YISHANGDEGAOWEN,JUYOUHENQIANGDEFUSHIXING,ZAIFAMINGSHIYONGLEYANGHUALVTOUMINGTAOCIHOUCAISHIDEGAOYANADENGDEDAOLESHIJIDEYINGYONG,ZHUYAOYONGYUDAOLU、GANGKOU、JICHANG、CHEZHAN、GUANGCHANG、JIANZHUWUDEFANGUANGZHAOMINGDENGCHANGSUO。YANGHUALVTOUMINGTAOCICHUYONGYUZHAOMINGLINGYUWAI,HAIJUYOUHENGUANGFANDEYONGTU。

氧化铝透明陶瓷的其他应用领域
1、在机械工业中
用来制造车床上的高速切削刀、汽轮机叶片、喷气发动机的零件等;
2、在化学工业中
用作高温耐腐蚀材料以代替传统材料等;
3、在国防军事中
氧化铝透明陶瓷可以做成导弹等飞行器的窗口和整流罩等;
4、在仪表工业中
用作高硬度材料以代替各类宝石等;
5、在电子工业中
用来制造印刷线路的基板等;
6、在日用生活中
用来制作各种高级器皿、餐具等。
 

 
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