專利名稱：鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于透明陶瓷領(lǐng)域，特別涉及鎂鋁尖晶石透明陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
透明陶瓷具有高溫氧化物單晶的優(yōu)良理化性能和玻璃的易做異型器件且尺寸可以做大的雙重優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。近年來人們熱切的期望通過合成納米陶瓷來制備更優(yōu)異性能的陶瓷。
美國從上世紀(jì)70年代就致力于開發(fā)透明鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)陶瓷，1976年US3974249公開了一種透明尖晶石的制備方法，但因方法和工藝的限制，制備的材料光學(xué)透過率較低。繼后，US4930731、US4983555、US5244849又相繼公開了透明尖晶石的制備方法及其應(yīng)用，但上述方法均采用真空熱壓或氣氛燒結(jié)后再經(jīng)過熱等靜壓處理兩步法，不僅工藝復(fù)雜，設(shè)備投資大，而且所制備的透明尖晶石在紅外波段無吸收峰，致使應(yīng)用范圍受到限制。
中國專利ZL95117836.9公開了一種透明多晶尖晶石(MgAl2O4)的制備方法，該方法在尖晶石粉末中添加助燒劑LiF，在5～10MPa下成型，加熱溫度為1000～1100℃，保溫30分鐘，繼續(xù)升溫至1500～1700℃(壓力相應(yīng)升至40～50噸，φ100mm模具)，保溫2～5小時(shí)，然后以5℃/分鐘的速率降溫，制得透明多晶尖晶石。上述制備方法雖然降低了設(shè)備的投資，獲得了透過率較高的透明多晶尖晶石，但燒結(jié)溫度高(1500～1700℃)，制備方法仍然較復(fù)雜，所制備的透明尖晶石在紅外波段仍然無吸收峰。
《Applied Physics Letters》于2006年5月公開了一種納米透明陶瓷的低溫、超高壓燒結(jié)法(Lu Tiecheng，Chang Xianghui，Qi Jianqi，Luo Xiangjie，Low-temperaturehigh-pressure preparation of transparent nanocrystalline MgAl2O4ceramics，Applied PhysicsLetters，Vol88，No.23120，2006)，該方法將鎂鋁尖晶石納米粉體初壓成型為素坯，然后用六面頂壓機(jī)在高壓下對素坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度600℃左右，燒結(jié)時(shí)間20～30分鐘。該方法雖然為制備透明陶瓷提供了一種不同構(gòu)思的技術(shù)方案，而且所制備的透明陶瓷(MgAl2O4)在紅外波段出現(xiàn)兩個(gè)吸收峰，但存在的問題是所制備的透明陶瓷透過率較低(在波長為760～2200nm的紅外波段透過率小于50％，在波長為500～760nm的可見光波段透過率小于40％)，宏觀尺寸小(小于10毫米)，容易裂塊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改進(jìn)的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷的制備方法，此種方法不僅工藝簡單，而且所制備的紅外波段有吸收峰的透明陶瓷(MgAl2O4)透過率提高，脆性減小，宏觀尺寸增大。
本發(fā)明的技術(shù)方案對現(xiàn)有透明陶瓷的低溫、超高壓燒結(jié)法進(jìn)行改進(jìn)，用兩面頂壓機(jī)代替六面頂壓機(jī)對成型素坯進(jìn)行燒結(jié)。
本發(fā)明所述鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷的制備方法，以純度＞99％的鎂鋁尖晶石納米粉體為原料，包括以下步驟(1)粉體成型將純度大于99％的鎂鋁尖晶石納米粉體裝入模具中，在常溫、5～20MPa壓力下1～5分鐘成型為素坯；(2)高壓燒結(jié)將素坯放入兩面頂壓機(jī)中，在2～5GPa壓力下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500～700℃，燒結(jié)時(shí)間至少為20分鐘，即制得鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷。
上述方法所述原料——純度＞99％的鎂鋁尖晶石納米粉體，由分析純(＞99％)鎂鹽和鋁鹽制備而成，鎂鹽和鋁鹽的配比按Mg與Al的摩爾比為1∶2計(jì)量，制備方法是將鎂鹽和鋁鹽加去離子水形成混合溶液(去離子水的加入量無嚴(yán)格要求，淹過鎂鹽和鋁鹽即可)，然后將混合溶液放入加熱爐中，在常壓以5～10℃/分鐘的速率加熱至1100～1150℃焙燒，在該溫度至少保溫2小時(shí)后使之自然冷卻至室溫，得到潔白蓬松的鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)粉體，研磨后用分樣篩篩分，即得到MgAl2O4納米粉體。所述鎂鹽為MgSO4或Mg(NO3)2或MgCO3，所述鋁鹽為NH4Al(SO4)2或Al(NO3)3或NH4Al(CO3)2。
本發(fā)明所述方法使用的原料(純度＞99％的鎂鋁尖晶石納米粉體)還可采用雙金屬醇鹽法制備，具體工藝見中國專利ZL95117836.9。
本發(fā)明具有以下有益效果1、鎂鋁尖晶石納米粉體中不需添加助燒劑，既可簡化工藝，又可降低成本。
2、成型素坯直接放入兩面頂壓機(jī)中燒結(jié)，即制得鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷，工藝非常簡單。
3、燒結(jié)溫度低(500～700℃)，燒結(jié)時(shí)間短(至少為20分鐘)，可節(jié)約電能。
4、相對于現(xiàn)有低溫、超高壓燒結(jié)法，所制備的紅外波段有兩個(gè)吸收峰的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷的透明度有明顯提高，波長為760～2200nm的紅外波段透過率大于70％，波長為500～760nm的可見光波段透過率大于50％(見圖2)。
5、所制備的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷脆性減小，陶瓷裂塊現(xiàn)象明顯改善。
6、所制備的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷宏觀尺寸增大，其宏觀尺寸可達(dá)30毫米以上。
7、所制備的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷在紅外波段波長為1430nm和1970nm附近分別有一個(gè)吸收峰，因而其應(yīng)用范圍擴(kuò)大，在紅外探測以及紅外照相等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是用本發(fā)明所述方法制備的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷(MgAl2O4)的照片，該照片是將鎂鋁尖晶石陶瓷放置在有文字的網(wǎng)格襯底上拍攝的，以表明鎂鋁尖晶石陶瓷的透明度。
圖2是用本發(fā)明所述方法制備的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷(MgAl2O4)的透過率曲線，該透過率曲線以厚度為2毫米的鎂鋁尖晶石測定，測試儀器為紫外/可見/紅外分光光度計(jì)，型號(hào)Lambda950，由PerkinElmer公司生產(chǎn)。
圖3是本發(fā)明所述方法制備的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷(MgAl2O4)的透射電子顯微鏡圖片，該圖片表明，所述透明陶瓷的平均晶粒尺寸小于100納米，測試儀器型號(hào)為JEOL3011。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1本實(shí)施例的工藝步驟如下(1)制備鎂鋁尖晶石納米粉體以分析純MgSO4·7H2O(純度≥99.0％)和NH4Al(SO4)2·12H2O(純度≥99.5％)為原料，MgSO4·7H2O和NH4Al(SO4)2·12H2O的配比按Mg與Al的摩爾比1∶2計(jì)量。將計(jì)量好的MgSO4·7H2O和NH4Al(SO4)2·12H2O放入容器，加去離子水?dāng)嚢栊纬苫旌先芤?去離子水的加入量無嚴(yán)格要求，淹過MgSO4·7H2O和NH4Al(SO4)2·12H2O即可)，將混合溶液用石英杯盛裝后放置于馬弗爐中，在常壓以5℃/分鐘加熱至1150℃焙燒，在該溫度下保溫4小時(shí)，然后使之自然冷卻到室溫，得到潔白蓬松的MgAl2O4粉體，研磨后用分樣篩篩分，即得到純度大于99％鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)納米粉體；(2)粉體成型將10克步驟(1)制備的鎂鋁尖晶石納米粉體裝入鋼制模具中，在常溫、10MPa的壓強(qiáng)下保壓3分鐘即可成型為素坯；(3)高壓燒結(jié)將素坯放入兩面頂壓機(jī)中，在5分鐘將壓力升至4GPa，保持該壓力的同時(shí)緩緩升高溫度，在5分鐘將溫度升至500℃，在500℃燒結(jié)20分鐘，然后在5分鐘將溫度降至室溫，在5分鐘將壓強(qiáng)降至常壓，即制得鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷，該陶瓷拋光后的照片如圖1所示，透過率曲線如圖2所示，投射電子顯微鏡圖片如圖3所示。
實(shí)施例2(1)制備鎂鋁尖晶石納米粉體以分析純MgSO4·7H2O(純度≥99.0％)和NH4Al(CO3)2(純度≥99.5％)為原料，MgSO4·7H2O和NH4Al(CO3)2的配比按Mg與Al的摩爾比為1∶2計(jì)量。將計(jì)量好的MgSO4·7H2O和NH4Al(CO3)2放入容器，加去離子水?dāng)嚢栊纬苫旌先芤?去離子水的加入量無嚴(yán)格要求，淹過MgSO4·7H2O和NH4Al(CO3)2即可)，將混合溶液用石英杯盛裝后放置于馬弗爐中，在常壓以10℃/分鐘加熱至1150℃焙燒，在該溫度下保溫2小時(shí)，然后使之自然冷卻到室溫，得到潔白蓬松的MgAl2O4粉體，研磨后用分樣篩篩分，即得到純度大于99％鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)納米粉體；(2)粉體成型將10克步驟(1)制備的鎂鋁尖晶石納米粉體裝入鋼制模具中，在常溫、5MPa的壓強(qiáng)下保壓5分鐘即可成型為素坯；(3)高壓燒結(jié)將素坯放入兩面頂壓機(jī)中，在3分鐘將壓力升至3GPa，保持該壓力的同時(shí)緩緩升高溫度，在3分鐘將溫度升至700℃，在700℃燒結(jié)30分鐘，然后在3分鐘將溫度降至室溫，在3分鐘將壓強(qiáng)降至常壓，即制得鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷。
實(shí)施例3(1)制備鎂鋁尖晶石納米粉體以分析純Mg(NO3)2(純度≥99.0％)和NH4Al(SO4)2·12H2O(純度≥99.5％)為原料，Mg(NO3)2和NH4Al(SO4)2·12H2O的配比按Mg與Al的摩爾比為1∶2計(jì)量。將計(jì)量好的Mg(NO3)2和NH4Al(SO4)2·12H2O放入容器，加去離子水?dāng)嚢栊纬苫旌先芤?去離子水的加入量無嚴(yán)格要求，淹過Mg(NO3)2和NH4Al(SO4)2·12H2O即可)，將混合溶液用石英杯盛裝后放置于馬弗爐中，在常壓以8℃/分鐘加熱至1150℃焙燒，在該溫度下保溫6小時(shí)，然后使之自然冷卻到室溫，得到潔白蓬松的MgAl2O4粉體，研磨后用分樣篩篩分，即得到純度大于99％鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)納米粉體；(2)粉體成型將10克步驟(1)制備的鎂鋁尖晶石納米粉體裝入鋼制模具中，在常溫、15MPa的壓強(qiáng)下保壓2分鐘即可成型為素坯；(3)高壓燒結(jié)將素坯放入兩面頂壓機(jī)中，在5分鐘將壓力升至5GPa，保持該壓力的同時(shí)緩緩升高溫度，在5分鐘將溫度升至600℃，在600℃燒結(jié)25分鐘，然后在5分鐘將溫度降至室溫，在5分鐘將壓強(qiáng)降至常壓，即制得鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷。
實(shí)施例4(1)制備鎂鋁尖晶石納米粉體以分析純MgCO3(純度≥99.0％)和Al(NO3)3(純度≥99.5％)為原料，MgCO3和Al(NO3)3的配比按Mg與Al的摩爾比為1∶2計(jì)量。將計(jì)量好的MgCO3和Al(NO3)3放入容器，加去離子水?dāng)嚢栊纬苫旌先芤?去離子水的加入量無嚴(yán)格要求，淹過MgCO3和Al(NO3)3即可)，將混合溶液用石英杯盛裝后放置于馬弗爐中，在常壓以6℃/分鐘加熱至1150℃焙燒，在該溫度下保溫4小時(shí)，然后使之自然冷卻到室溫，得到潔白蓬松的MgAl2O4粉體，研磨后用分樣篩篩分，即得到純度大于99％鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)納米粉體；(2)粉體成型將10克步驟(1)制備的鎂鋁尖晶石納米粉體裝入鋼制模具中，在常溫、20MPa的壓強(qiáng)下保壓1分鐘即可成型為素坯；(3)高壓燒結(jié)將素坯放入兩面頂壓機(jī)中，在3分鐘將壓力升至2GPa，保持該壓力的同時(shí)緩緩升高溫度，在3分鐘內(nèi)將溫度升至500℃，在500℃燒結(jié)20分鐘，然后在3分鐘將溫度降至室溫，在3分鐘將壓強(qiáng)降至常壓，即制得鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷。
上述實(shí)施例中使用的兩面頂壓機(jī)，型號(hào)DS 2×3500噸，為市售商品；粉體成型所用的加壓裝置為千斤頂。
權(quán)利要求
1.一種鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷的制備方法，以純度大于99％的鎂鋁尖晶石納米粉體為原料，其特征在于包括以下步驟(1)粉體成型將純度大于99％的鎂鋁尖晶石納米粉體裝入模具中，在常溫、5～20MPa壓力下1～5分鐘成型為素坯；(2)高壓燒結(jié)將素坯放入兩面頂壓機(jī)中，在2～5GPa壓力下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500～700℃，燒結(jié)時(shí)間至少為20分鐘，即制得鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷的制備方法，其特征在于所述鎂鋁尖晶石納米粉體由分析純鎂鹽和鋁鹽制備而成，鎂鹽和鋁鹽的配比按Mg與Al的摩爾比為1∶2計(jì)量，制備方法是將鎂鹽和鋁鹽加去離子水形成混合溶液，然后將混合溶液放入加熱爐中以5～10℃/分鐘的速率加熱至1100～1150℃焙燒，在該溫度至少保溫2小時(shí)后使之自然冷卻至室溫，即制得鎂鋁尖晶石納米粉體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷的制備方法，其特征在于所述鎂鹽為MgSO4或Mg(NO3)2或MgCO3，所述鋁鹽為NH4Al(SO4)2或Al(NO3)3或NH4Al(CO3)2。
全文摘要
鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷的制備方法，以純度＞99％的鎂鋁尖晶石納米粉體為原料，工藝步驟包括粉體成型和高壓燒結(jié)。粉體成型是將純度大于99％的鎂鋁尖晶石納米粉體裝入模具中，在常溫、5～20MPa壓力下成型為素坯；高壓燒結(jié)是將素坯放入兩面頂壓機(jī)中，在2～5GPa壓力下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500～700℃，燒結(jié)時(shí)間至少為20分鐘，即制得鎂鋁尖晶石納米透明陶瓷。此種方法不僅工藝簡單，而且所制備的紅外波段有吸收峰的透明陶瓷(MgAl
文檔編號(hào)C04B35/622GK1962538SQ200610022318
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者常相輝, 盧鐵城 申請人:四川大學(xué)