透明氧化铝陶瓷制备的研究进展_谢志鹏
DOI:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2011.05.028
第30卷第5期201110硅酸盐通报
BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol.30No.5October ,2011
透明氧化铝陶瓷制备的研究进展
1
谢志鹏,刘
11,2
伟,薄铁柱
(1.清华大学材料科学与工程系,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084;
2.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)
摘要:氧化铝陶瓷是第一个实现透明化的先进陶瓷材料,拓展了先进陶瓷材料的研究和应用领域;并作为高强度气体放电灯的关键部件—电弧管而获得实际应用。近半个世纪以来,人们在提高透过率的理论研究和优化制备工艺方面取得了众多成果。本文论述了影响透明氧化铝陶瓷透光性的各种因素,并且从氧化铝粉体、烧结助剂的选择对氧化铝透明陶瓷的制备进及作用和烧结工艺等三方面综述了近年来国内外关于氧化铝陶瓷研究的工作与进展,最后展望了透明氧化铝陶瓷的发展趋势。行了较为系统的综述,
关键词:透明氧化铝;透光率;烧结助剂;烧结工艺中图分类号:TB332
文献标识码:A
1625(2011)05-1077-06文章编号:1001-
Research Progress in Fabrication of
Transparent Alumina Ceramics
2
XIE Zhi-peng 1,LIU Wei 1,BO Tie-zhu 1,
(1.State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing ,Department of Materials
Science and Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;
2.School of Materials Science and Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China )
Abstract :The first realization of transparent alumina ceramics among all advanced ceramics expands a new research field of advanced ceramics.The application of transparent alumina is also successful ,such as arc tubes for high intensity discharge lamps.Fruitful results in theory research and processing optimization are made with the purpose of enhancing transmittance of alumina ceramics over the past half-century.In this paper ,we have analyzed the effect of each factor on the transparency of alumina ceramics.The following three aspects of researches at home and abroad have been reviewed :(1)Selection of the alumina powders ;(2)Secletion of sintering additives and their corresponding effects ;(3)Sintering technology.Finally ,the application of transparent alumina ceramics has been systematically summarized and the prospect is put forword.
Key words :transparent alumina ;transparency ;sintering additives ;sintering technology
1引言
透明氧化铝陶瓷最早是由美国Coble 博士发明的,他通过在Al 2O 3中添加0.25wt%MgO ,于1700 1800
[1]
ħ 氢气气氛下烧结出呈半透明的氧化铝陶瓷,从此开创了透明氧化铝陶瓷研究和应用的新篇章。经过半
“863”基金项目:国家项目(No.2007AA03Z522)
),mail :xzp@mail.tsinghua.edu.cn 作者简介:谢志鹏(1957-男,博士生导师.主要从事高性能结构陶瓷方面的研究.E-
1078综合评述硅酸盐通报第30卷
个世纪的不懈努力和研究,科研工作者发现,通过提高氧化铝的纯度、致密度以及合理的调控显微结构,可以显著提高氧化铝陶瓷的透光性。
随着研究的不断开展,制备氧化铝陶瓷的烧结助剂得到了极大地扩展,除了MgO ,一些稀土氧化物(如Y 2O 3、La 2O 3、ZrO 2等)同样可以作为氧化铝陶瓷的烧结助剂,并且采用复合添加剂的效果优于单独使用
[2]MgO 。关于添加剂的引入方式,谢志鹏等提出了化学沉淀包覆工艺,在1800ħ 氢气气氛下烧结,制备了透
明氧化铝陶瓷。与传统的球磨工艺相比,该方法能够实现添加剂在氧化铝基体中的均匀分布,从而大大提高了陶瓷的透光性。
关于透明氧化铝陶瓷的烧结技术,最近的研究工作表明,采用热等静压(HIP )、放电等离子(SPS )等特种
Jin 等[3]采用SPS 工艺,于1250 1350ħ ,烧结工艺可以制备出亚微米晶的高性能透明氧化铝陶瓷。例如,
80MPa 压力下烧结,制备了晶粒尺寸小于1μm ,直线透光率为53%的透明陶瓷。由于晶粒细小,其机械强
度也非常优异。
就氧化铝晶粒光轴取向对透光性的影响进行了研究,他们通过在强磁场条件下进行透明
Al 2O 3陶瓷浆料的注浆成型,使烧结后的Al 2O 3陶瓷晶粒光轴趋于一致,从而减少六方晶系Al 2O 3陶瓷因双折射率不同带来的光损失,显著提高透明Al 2O 3陶瓷的透过率。下面就影响氧化铝陶瓷透光性的各种因素,以及氧化铝粉体选择、烧结助剂及作用、烧结工艺及透明氧化铝陶瓷的应用进行综述。
Mao 等此外,
[4]
2
2.1
影响氧化铝陶瓷透明性的因素
气孔率
对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率。
透明陶瓷的制备过程实质上就是在烧结过程中完全排除显微气孔的致密化过程。气孔尺寸、数量、种类都会对陶瓷材料的透明性产生显著影响。
许多文献都指出,制品的透明度对气孔率十分敏感,气孔率的微小变化可显著改变材料透光率。陶瓷体中闭口气孔率从0.25%变为0.85%时,透过率降低33%
[1]
。制备具有较高透光率陶瓷的一个主要条
图1
气孔率为0.1%时Al 2O 3透明陶瓷的线性
透过率与气孔直径的关系
Fig.1
The relationship between real in-line transmission and pore diameter
for transparent alumina with the porosity of 0.1%
件就是最大限度降低气孔率,特别是显微气孔率。氧
化铝透明陶瓷的致密度通常大于99.9%。除了气孔率,气孔的直径对陶瓷的透光率也有很大的影响。图1为透明氧化铝的气孔直径与线性透过率的关系。可当气孔直径与入射光波长相当时,透过率最以看出,[6]低。2.2
晶界结构
透明和不透明陶瓷的晶界结构是不同的。透明材料的晶界干净清晰,陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相或更多相,这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。当入射光进入晶粒时,会与晶界相遇,产就不会发生折射和反射。如果晶界与晶粒之间折射率存生折射和反射。如果晶界与晶粒的折射率相同时,
[6]
在一定的差距,就会影响透过率。2.3
陶瓷的晶粒尺寸
透明陶瓷的透光率取决于陶瓷多晶体的晶粒尺寸,当入射光波长等于晶粒直径时,光的散射效应最大,
[6]
透光率最低,故为提高透明陶瓷的透光率,应将陶瓷的晶粒粒径控制在入射光的波长范围之外。2.4
表面加工光洁度
透明陶瓷的透光率还受表面光洁度的制约。烧结后未经处理的陶瓷表面具有较高的粗糙度,光线入射
第5期谢志鹏等:透明氧化铝陶瓷制备的研究进展1079
到这种面上会发生漫反射。陶瓷的粗糙度越大,其透明度就越低。对陶瓷表面进行研磨和抛光处理会大大
[6]
提高透光率。
3
3.1
透明氧化铝陶瓷制备技术进展
粉末选择与要求
Al 2O 3粉末非常重要,要烧结出透明的Al 2O 3陶瓷,所采用的Al 2O 3粉纯度需在99.9%以上并且为α相,
粉末的细度一般控制在0.3μm 以下。这是因为原料中杂质容易生成异相,形成光的散射中心,减弱投射光在入射方向上的强度,降低制品的透明度。
粉体除具有高的纯度和小的粒度外,同时颗粒应高度分散,以保障高的烧结活性。研究表明,制备透明
陶瓷的理想粉体不能产生明显的团聚。硬团聚体的产生会使粉体原有的高分散性和小颗粒尺寸的优势完全或部分丧失,使粉体成型体中存在大尺寸的气孔,这类气孔被排出的阻力较大,甚至难以排除,从而导致材料无法烧结致密,最终难以获得透明的陶瓷材料。原料的预烧温度也会对陶瓷透明性产生明显的影响。过高
影响产品的透明化烧结;过低则相转变不完全,制品在烧结过程中会产生变形等不良影响。此则活性降低,
原料粉体的颗粒形状、流动性、成型时的素坯密度均匀性等也会对致密化过程产生影响外,
3.2烧结助剂及作用
[7]
。
为了使Al 2O 3陶瓷体烧结成没有气孔的完全致密体,必须在Al 2O 3粉中加入微量的烧结助剂,通常加入
MgO ,La 2O 3、ZrO 2、ThO 2等,Y 2O 3、还可采用Y 2O 3、也可将这些氧化物与MgO 混合使用。与MgO 相比,La 2O 3、ZrO 2、ThO 2等添加剂具有较宽的浓度范围,在此浓度范围内,最大透光率仍能保持不变。
Coble [8]在氧化铝粉体中加入0.25%的MgO ,最初,在1700 1800ħ 氢气气氛下烧结制备出了第一块透
[9]
明氧化铝陶瓷。关于MgO 的作用,王士维研究认为MgO 固溶在Al 2O 3晶格中,当MgO 含量低于固溶极限时,增加MgO 可以同时促进烧结和抑制晶粒长大,当MgO 含量超过固溶极限时MgO 与Al 2O 3形成MgAl 2O 4,其主要作用是抑制晶粒长大,而对致密化存在阻碍作用。图2示出由MgO 转为了第二相MgAl 2O 4尖晶石,以及Al 2O 3晶粒生长中包裹的气孔
[10]
。
图2添加200ppm MgO 的Al 2O 3的TEM 照片Fig.2
Representive TEM of Al 2O 3doped
wih 200ppm
MgO
Fig.3
图3氢气气氛下烧结的透明氧化铝
(a )气孔;(b )尖晶石相(图中箭头所示)陶瓷试样(a )及其显微结构(b )
Typical transparent alumina ceramic sample (a )and
its corresponding microstructure via H 2atmosphere sintering (b )
3.33.3.1
透明氧化铝陶瓷烧结工艺气氛和真空烧结
氧化铝在空气中烧结常有1 3%的剩余气孔,这些气孔的产生主要是由于在烧结后期气孔被封闭在氧化铝陶瓷中,气孔的进一步收缩需要借助晶界扩散到表面;空气中的氮气在烧结温度下不溶于氧化铝晶粒,因此只有当内部压力与表面收缩能量平衡时,气孔才收缩。而在氢气气氛条件下,一方面氢气是可溶的,能
2-很快从体系中扩散出去,另一方面Al 2O 3陶瓷的烧结是由阴离子(O )扩散速率控制的烧结过程,在还原气
2-氛下,晶体中的氧从表面脱离,从而在晶体表面产生大量的氧空位,使O 扩散系数增大导致烧结过程加速,从而达到完全致密,因此透明氧化铝陶瓷在氢气气氛下烧结可有效排除剩余气孔。图3a 示出,在Al 2O 3粉
1080综合评述硅酸盐通报第30卷
1800ħ ˑ 1h 条件下烧结后的透明氧化铝陶瓷试样,中加入微量MgO 添加剂于氢气气氛中,其显微结构见[2]
可见晶粒尺寸大约在20 40μm 。图3b ,3.3.2
常压烧结与热等静压(HIP )相结合
将纳米级氧化铝粉末通过常压烧结与热等静压相结合可制备出微米或亚微米级细晶透明氧化铝陶瓷,且剩余气孔很少,晶界洁净,直线透光率高。由于晶粒很小,机械性能也显著提高,甚至接近氧化铝单晶材料。
Chutinan [10]以高纯Al 2O 3为原料,在不加任何添加剂的情况下,采用HIP 烧结,于1350ħ 条件下保温2h ,制备了晶粒尺寸小于1μm 的透明氧化铝陶瓷,其样品照片及显微结构如图4所示。
德国弗劳恩霍夫陶瓷技术与烧结材料研究所Krell [12]
Al 2O 3粉等采用掺入0.03wt%MgO 的高纯超细α-图4Fig.4
不含添加剂的试样经HIP 烧结后Typical alumina ceramic sample with
的实物图(a )及显微结构照片(b )sintering additives (a )and its microstructure (b )
(99.99%,0.2μm ),成型后的圆片试样先采用无压烧结,于1240 1250ħ 空气中烧结保温2h ,致密度可达到
96%,Ar 气气体,200MPa ,1150 1400ħ 温度范围。经热等静压烧结(例如然后进行第二步热等静压烧结,1250ħ ˑ 1h 或1200ħ ˑ 15h )后试样的密度均达到99.9%以上。并且晶粒尺寸细小,大约在0.5μm 左右,四
900MPa ,点抗弯强度为600 700MPa ,三点抗弯强度为750-维氏硬度为20GPa 。表1示出烧结工艺条件对透TFT 表示总透光率。明Al 2O 3陶瓷晶粒大小和透光率的影响,其中RIT 表示直线透光率,
表1
Tab.1
Pressureless +HIP 1250ħ ˑ 2h +1250ħ ˑ 2h 1250ħ ˑ 2h +1200ħ ˑ 12h (1270 1290)ħ ˑ 2h +1200ħ ˑ 12h
1280ħ ˑ 2h +1200ħ ˑ 15h
常压+HIP 对透明Al 2O 3陶瓷晶粒大小和透光率的影响
Grain size /μm
0.550.530.62-0.690.59
RIT /%404753-5755
TFT /%727680-8384
The grain size and transparency of transparent alumina ceramic via presssureless sintering followed by HIP
Guillaume [13]在高纯α-Al 2O 3中掺入CaO /此外,
TiO 2作为烧结助剂(75ppm 原子的CaO 和75ppm 原子的TiO 2),采用先常压后热等静压烧结方法,得到平均晶粒尺寸仅为0.47ʃ 0.03μm ,在可见光、紫外和近红外区均显示出较好透过性的透明Al 2O 3陶瓷。其TEM 照片如图5所示。
3.3.3放电等离子烧结(SPS )
图5
添加CaO /TiO2助烧剂的试样经HIP 烧结后TEM 照片
透明氧化铝陶瓷的SPS 烧结近几年也得到研究和(a )低倍率下的显微结构;(b )没有晶内气孔
[14]
探索。Dibyendu 以平均粒径为100nm 的高纯Fig.5Representive TEM of the sample doped by the additives Al 2O 3为原料,of CaO /TiO2via pressureless sintering followed by HIP 在不使用任何添加剂的情况下采用SPS 烧结,工艺条件为压力275MPa ,最高烧结温度1150ħ ,制备了平均晶粒尺寸为0.3μm ,硬度达到23GPa 的透明氧化铝陶瓷。
Jiang 等[15]采用高纯纳米Al 2O 3粉(>99.995%),0.2wt%MgO (以Mg (NO 3)2形式加入)作为烧结助剂,SPS 烧结工艺为真空条件下90MPa 压力,在3min 内温度从室温升至600ħ ,然后快速升温至1300 1700ħ ,1300ħ ˑ 5min 条件SPS 烧结的试样达到完全致密化,保温3 5min 。结果表明,晶粒尺寸仅为0.5 1μm ,在中红外区透光率可达85%,而经1700ħ ˑ 3min 条件下SPS 烧结试样,晶粒尺寸迅速增大至5μm 左
第5期谢志鹏等:透明氧化铝陶瓷制备的研究进展1081
[16]
右。Michael 等同样采用SPS 烧结制备了透明氧化铝陶瓷,并研究了SPS 过程中添加剂种类及含量对Al 2O 3透光性的影响。研究发现使用Mg 、Y 、La 三元复合添加剂,Al 2O 3陶瓷的直线透总质量为450ppm 时,
光率能达到57%。3.3.4
微波快速烧结
微波烧结是利用材料在微波电磁场中的介电损耗使陶瓷及其复合材料整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结技术。微波烧结速度快、时间短,从而避免了烧结过程中陶瓷晶粒的异常长大,最终可获得高
[17]
强度和高致密度的透明陶瓷。Cheng 等研究发现微波烧结氧化铝在加入百分比为0.05%氧化镁烧结助剂的条件下烧结45min 就可以得到密度为3.97/
图
cm 3,平均粒径为40μm 透明性能优异的氧化铝陶瓷,如图6所示。但是,微波烧结有其本身的问题,如控温
61750ħ 条件下微波烧结45min 制得透明Al 2O 3陶瓷
Fig.6
Transparent alumina ceramic via
microwave sintering at 1750ħ for 45min
温度场均匀性等,这往往会产生氧化铝晶体晶准确度,
粒尺寸的差别非常大,从而影响材料质量的稳定性。
表2对已报道的一些透明氧化铝陶瓷所用助烧剂、烧结条件和性能进行了汇总。
表2
Tab.2
添加剂-Mg Mg Mg Mg ,Y Zr
烧结工艺
SPS ,1150ħ ,20min ,80MPa 1750ħ ,30min ,微波烧结,
2.45GHz ,之后在H 2中1850-1880ħ 烧结2h H 2中1850ħ 保温3h 1250ħ 无压烧结2h ,
2h ,之后1250ħ HIP 烧结1-压强为200MPa
1800-1850ħ ,H 2
1200-1350ħ 无压烧结
1-4h 之后Ar 气氛中1200ħ
HIP 烧结10-14h
透明氧化铝陶瓷所用助烧剂、烧结条件和性能
相对密度
-99.7%->99.9%99.5%>99.95%
透光率(波长,厚度)RIT =47%
(640nm ,0.88mm )RIT =50%(700nm ,-)RIT =50-60%(400-800nm ,0.8mm )RIT =40%(640nm ,0.8mm )
95-98%(-,-)-)RIT >60%(600nm ,
晶粒尺寸0.27μm 30μm 30-40μm 0.60μm
-≤0.5μm
抗弯强度
---638ʃ
51MPa 320MPa 650-800MPa
硬度---HV10=20GPa 1660-1930维氏硬度1900-2200维氏硬度
参考文献[18][19][4][12][20][21]
The sintering additives ,sintering conditions and properties used in fabrication of transparent alumina ceramics
4结论
透明氧化铝是第一个实现透明化的的先进陶瓷材料,并且得到了广泛的应用,比如节能照明的高压钠灯用于口腔矫正的正畸透明托槽等。近年来,为了提高氧化铝陶瓷的透过率,国内外学者主及金卤等电弧管,
要从对原始粉体性能进行改善、烧结助剂引入方式优化、并采用先进的烧结工艺等方面开展研究,并使得多晶透明氧化铝的透光率大大提高。未来透明氧化铝金卤灯管的产业化及民用化将成为透明氧化铝陶瓷的主流应用热点。
参
考
文
献
[1]田增英.来自西方的知识-1993,7:36.精密陶瓷及应用[M ].科学普及出版社,[2]谢志鹏,刘
P ]2010.伟,薄铁柱.异质形核沉淀法制备透明氧化铝陶瓷及其应用[中国专利,申请号:[1**********]9,
1082综合评述硅酸盐通报第30卷
[3]Jin X H ,Gao L ,Sun J.Highly transparent alumina spark plasma sintered from common-grade commercial powder :the effect of powder treatment
[J ].J.Am.Ceram.Soc.,2010,93(5):1232-1236.
[4]Mao X J ,Wang S W ,Shimai S Z.Transparent polycrystalline alumina ceramics with orientated optical axes [J ].J.Am.Ceram.Soc.,2008,91
(10):3431-3433.
[5]Krueger S ,Allen A J ,Long G G.Evolution of the pore size distribution in final sintering of alumina [J ].J.Am.Ceram.Soc.,1991,74(10):2538-2546.[6]施剑林,冯
.上海:科学普及出版社,2008,8-10.涛.无机光学透明材料-透明陶瓷[M ]
[7]刘军芳,J ].硅酸盐通报,2003,22(3):68-73.傅正义,张东明.透明陶瓷的制备技术及其透光因素的研究[[8]Coble R L.Transparent alumina and method of preparation [P ].USP ,[1**********].[9]单
J ].无机材料学报,2008,23(5):1001-1004.萌,周国红,王士维.SPS 制备亚微米晶氧化铝陶瓷[
[10]Wei G C.Transparent ceramic lamp envelope materials [J ].J.Phys.D :Appl.Phys.,2005,38(17):3057-3065.
[11]Chutinan P ,Varong P ,Tawatchai C.Effect of hot isostatically pressed sintering on microstructure of translucentalumina compact [J ].Current
Applied Physics ,2009,9(5):960-966.
[12]Krell A ,Blank P ,Ma H W ,et al.Transparent sintered corundum with high hardness and strength [J ].J.Am.Ceram.Soc.,2003,86(1):12-18.[13]Guillaume B G ,Christian G.Influence of Co-doping on the sintering path and on the optical properties of a submicronic alumina Material [J ].J.
2008,91(5):1703-1706.Am.Ceram.Soc.,
[14]Dibyendu C ,Sundararajan G.Effect of applied stress on IR transmission of spark plasma-sintered alumina [J ].J.Am.Ceram.Soc.,2010,93(4):
951-953.
[15]Jiang D T ,Hulbert D M ,Umberto A T ,et al.Optically transparent polycrystalline Al 2O 3produced by spark plasma sintering [J ].J.Am.Ceram.
Soc.,2008,91(1):151-154.
[16]Michael S ,Zhe Z ,Ulrich A.Transparent polycrystalline alumina using spark plasma sintering :effect of Mg ,Y and La doping [J ].Journal of the
2010,30(6):1335-1343.European Ceramic Society ,
[17]Cheng J P.Fabricating transparent ceramics by microwave sintering [J ].J.Am.Ceram.Soc.,2000,79(9):71-74.
[18]Kim B N ,Hiraga K ,Morita K ,et al.Spark plasma sintering of transparent alumina [J ].Scripta Materialia ,2007,57(7):607-610.[19]Cheng J P ,Agrawal D ,Zhang Y J ,et al.Microwave sintering of transparent alumina [J ].Materials Letters ,2002,56(4):587-592.[20]赵学国,冯
CN1903784A.涛,王士维,等.透光性氧化铝陶瓷的制备方法[P ].2007,
[21]李伯涛,.2007,CN1887786A.韩敏芳.具有高线性透光率的亚微米晶粒透明氧化铝陶瓷[P ]
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒毃
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