一文了解透明氧化鋁陶瓷的制備與燒結(jié)

　　透明氧化鋁陶瓷最早是由美國Coble博士發(fā)明的，具有良好的耐熱性、耐腐蝕性能以及力學(xué)性能。透明氧化鋁陶瓷是第一個實現(xiàn)透明化的先進(jìn)陶瓷材料，并得到了廣泛的應(yīng)用。

影響氧化鋁陶瓷透明性的因素

      01、氣孔率

　　對透明陶瓷透光性能影響最大的因素是氣孔率。透明陶瓷的制備過程實質(zhì)上就是在燒結(jié)過程中完全排除顯微氣孔的致密化過程。氣孔尺寸、數(shù)量、種類都會對陶瓷材料的透明性產(chǎn)生顯著影響。

      02、晶界結(jié)構(gòu)

　　透明和不透明陶瓷的晶界結(jié)構(gòu)是不同的。透明材料的晶界干凈清晰，陶瓷材料的物相組成中通常包含著兩相或更多相，這種多相結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致光在相界表面上發(fā)生散射。當(dāng)入射光進(jìn)入晶粒時，會與晶界相遇，產(chǎn)生折射和反射。如果晶界與晶粒的折射率相同時，就不會發(fā)生折射和反射。如果晶界與晶粒之間折射率存在一定的差距，就會影響透過率。

      03、陶瓷的晶粒尺寸

　　透明陶瓷的透光率取決于陶瓷多晶體的晶粒尺寸，當(dāng)入射光波長等于晶粒直徑時，光的散射效應(yīng)最大，透光率最低，故為提高透明陶瓷的透光率，應(yīng)將陶瓷的晶粒粒徑控制在入射光的波長范圍之外。

      04、表面加工光潔度

　　透明陶瓷的透光率還受表面光潔度的制約。燒結(jié)后未經(jīng)處理的陶瓷表面具有較高的粗糙度，光線入射到這種面上會發(fā)生漫反射。陶瓷的粗糙度越大，其透明度就越低。對陶瓷表面進(jìn)行研磨和拋光處理會大大提高透光率。

透明氧化鋁粉體的制備

　　與普通氧化鋁陶瓷相比，透明氧化鋁陶瓷對氧化鋁粉體要求極高。

　　采用的Al2O3粉純度需在99.99%以上并且為α相，粉末的細(xì)度一般控制在0.3μm以下。這是因為原料中雜質(zhì)容易生成異相，形成光的散射中心，減弱投射光在入射方向上的強(qiáng)度，降低制品的透明度。粉體除具有高的純度和小的粒度外，同時顆粒應(yīng)高度分散，以保障高的燒結(jié)活性。

　　氧化鋁粉體的制備可分為三種方法，即固相法、液相法和氣相法。固相法存在氧化鋁純度不佳、粒徑分布難以控制、煅燒溫度過高等缺點，因此固相法不適合制備透明氧化鋁陶瓷粉體；氣相法的優(yōu)點是氧化鋁純度高，顆粒較細(xì)小等，此種方法設(shè)備比較昂貴、操作復(fù)雜、生產(chǎn)效率較低，因此氣相法不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

　　液相法工藝較為簡單，制備出的粉體純度較高、顆粒尺寸較小，因此液相法是目前實驗室和工業(yè)上制備透明氧化鋁陶瓷陶瓷粉體的主要制備方法。

透明氧化鋁陶瓷的燒結(jié)

      01、燒結(jié)助劑及作用

　　為了使Al2O3陶瓷體燒結(jié)成沒有氣孔的完全致密體，必須在Al2O3粉中加入微量的燒結(jié)助劑，通常加入MgO，還可采用Y2O3、La2O3、ZrO2、ThO2等，也可將這些氧化物與MgO混合使用。與MgO相比，Y2O3、La2O3、ZrO2、ThO2等添加劑具有較寬的濃度范圍，在此濃度范圍內(nèi)，最大透光率仍能保持不變。

      02、燒結(jié)方法

　　氣氛和真空燒結(jié)

　　氧化鋁在空氣中燒結(jié)常有1%~3%的剩余氣孔，這些氣孔的產(chǎn)生主要是由于在燒結(jié)后期氣孔被封閉在氧化鋁陶瓷中，氣孔的進(jìn)一步收縮需要借助晶界擴(kuò)散到表面；空氣中的氮氣在燒結(jié)溫度下不溶于氧化鋁晶粒，因此只有當(dāng)內(nèi)部壓力與表面收縮能量平衡時，氣孔才收縮。透明氧化鋁陶瓷在氫氣氣氛下燒結(jié)可有效排除剩余氣孔。

　　常壓燒結(jié)與熱等靜壓(HIP)相結(jié)合

　　將納米級氧化鋁粉末通過常壓燒結(jié)與熱等靜壓相結(jié)合可制備出微米或亞微米級細(xì)晶透明氧化鋁陶瓷，且剩余氣孔很少，晶界潔凈，直線透光率高。由于晶粒很小，機(jī)械性能也顯著提高，甚至接近氧化鋁單晶材料。

　　放電等離子燒結(jié)(SPS)

     Michae等采用SPS燒結(jié)制備了透明氧化鋁陶瓷，并研究了SPS過程中添加劑種類及含量對Al2O3透光性的影響。

　　微波快速燒結(jié)

　　微波燒結(jié)是利用材料在微波電磁場中的介電損耗使陶瓷及其復(fù)合材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。微波燒結(jié)速度快、時間短，從而避免了燒結(jié)過程中陶瓷晶粒的異常長大，最終可獲得高強(qiáng)度和高致密度的透明陶瓷。

　　透明氧化鋁陶瓷的良好性能使其在高照明、光源材料、航空航天、軍工等方面都有所應(yīng)用，尤其被廣泛的應(yīng)用在高壓鈉燈和鹵燈管中。