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氧化铝透明陶瓷工艺及应用简述

    氧化铝透明陶瓷材料是第一个实现透明的陶瓷材料。它具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度、化学稳定性和生物相容性等结构陶瓷所固有的属性,同时具备透光这一功能属性,已经在能源、机械、军工、电子、半导体、医学等高技术领域得到越来越多的应用。

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图1 (a)透明氧化铝托槽 (b)透明氧化铝装甲

一. 氧化铝透明陶瓷及其制备技术

自二十世纪六十年代美国通用公司发现了第一个氧化铝透明陶瓷以来,在半个多世纪里,陶瓷领域的科研工作者们通过改进氧化铝透明陶瓷的成型与烧结工艺,使得氧化铝透明陶瓷在力学、光学以及产业化应用方面均取得了巨大进步。


(一)透明陶瓷的定义及影响因素

德国Fraunhofer研究所Krell等人严格区分了“透明”与“半透明”两个概念,Krell等人认为只有与物体隔着一定距离而仍然具有良好透明度的陶瓷才是透明陶瓷,否则只能称为半透明陶瓷。我国一般认为直线透光率在可见光区域的最大值超过15%可称为透明陶瓷。

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 图2 半透明、介质透明与全透明陶瓷

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。

(二) 氧化铝透明陶瓷的制备技术

由上一部分的描述我们可知氧化铝透明陶瓷在制备过程中对各方面的要求都很高。在生产过程中常涉及的制备技术主要包括以下几个部分。

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。

关于MgO在抑制Al2O3晶粒异常生长的作用机理,目前尚未达成共识,有关解释主要包括如下三种:

 a 晶界上溶质偏析,通过溶质拖拽机制抑制晶粒的不连续生长(“杂质—偏析”理论)。

b 晶界上第二相钉扎抑制晶粒的不连续生长(“第二相钉扎”理论)。

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。

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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。

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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。

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图5 放电等离子烧结示意图

二、氧化铝透明陶瓷的应用

氧化铝透明陶瓷具有优异的光学性能而且耐高温,照明领域是氧化铝透明陶瓷最早的应用领域。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源,但在钠灯蒸汽放电时会产生1000℃以上的高温,具有很强的腐蚀性,在发明使用了氧化铝透明陶瓷后才使得高压钠灯得到了实际的应用,主要用于道路、港口、机场、车站、广场、建筑物的泛光照明等场所。氧化铝透明陶瓷除用于照明领域外,还具有很广泛的用途。

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。