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镁铝尖晶石透明陶瓷的制备与应用


来源:中国粉体网   初末

[导读]  镁铝尖晶石多晶透明陶瓷由于具有高透光率、良好的机械性能以及较低的生产成本,在航空航天、军事、激光、原子能及半导体等工业中得到广泛应用。

中国粉体网讯  镁铝尖晶石多晶透明陶瓷由于具有高透光率、良好的机械性能以及较低的生产成本,在航空航天、军事、激光、原子能及半导体等工业中得到广泛应用。


透明镁铝尖晶石物理性能




镁铝尖晶石粉体的制备


由于透明镁铝尖晶石陶瓷的透光性能对于烧结粉体的纯度与粒度十分敏感,所以制备出高纯、高烧结活性、成分均匀、粒径分布窄、良好分散性和合理成本的镁铝尖晶石粉体十分重要。


高温固相反应合成法


固相反应合成法是现在工业生产镁铝尖晶石工艺成熟且适合大规模生产的方法。它利用高纯的MgO和Al2O3粉体在高温下直接通过固相反应合成,当合成温度大于1600℃时得到微米级粉体,而合成温度1450℃得到亚微米的尖晶石粉体。但由于这种方法合成的粉体粒径分布很广,不利于烧结活性。所以在使用之前经过球磨,降低粉体粒径分布。在通常情况下反应生成尖晶石相时由于5-7%的体积膨胀导致固相反应膨胀不完全。所以一般在生产过程中,在球磨处理后,还会将粉体进行焙烧处理,该工艺简单,但是能耗大,在球磨过程中容易受到二次污染。


共沉淀法


共沉淀法是通过向混合金属溶液中添加合适的沉淀剂,使所需要的成分均匀的沉淀下来,然后进行过滤、洗涤、干燥、煅烧处理,最终得到粉体的制备方法。该方法可以使各组分实现分子水平的均匀混合,有效降低煅烧温度,从而实现超细、高烧结活性粉体的制备。此外,该方法还具有流程简单、成本低等优点,可以广泛的制备氧化物陶瓷粉体,如MgAl2O4、YAG、LuAG等。


溶胶-凝胶法


溶胶-凝胶法制备镁铝尖晶石通常使用金属醇盐,通过加入螯合剂,在一定温度下经陈化处理,使醇盐通过水解、缩聚得到凝胶。再将凝胶经过干燥得到纳米MgAl2O4尖晶石前驱体粉末,经过焙烧处理后即可得到纳米尺度均匀性良好的镁铝尖晶石粉末。采用溶胶-凝胶法制备的粉体具有化学成分均匀、粒径分布窄、比表面积大、易于制备多组分材料等优点,但是溶胶在干燥过程中容易形成团聚现象,严重的影响了粉体的烧结活性。


燃烧法


燃烧法是在制备时加入定量有机物,利用反应物间燃烧的热效应在短时间内产生高温来降低最后灼烧的温度,同时有机物燃烧时产生大量气体,可以减少粉体的团聚从而降低粉体颗粒尺寸的一种粉体制备方法。燃烧法可以在短时间内制备出超细、组成均匀的粉体,粉体具有很高的烧结活性。


醇盐水解法


醇盐水解法是一种通过金属醇盐水解来制备陶瓷粉体的湿化学方法。醇盐是醇的羟基氢被金属元素取代而生成的化合物的总称。金属醇盐遇水容易水解生成水合的氧化物或者氢氧化物,在适当温度下煅烧后可以得到高纯的陶瓷粉体。金属醇盐水解法是制备纳米粉体的有效方法,具有设备、流程简单等优点。


镁铝尖晶石透明陶瓷的烧结


镁铝尖晶石由于自身较慢的物质扩散速率,难以实现完全致密化,因此需要采用高温、高压烧结方法制备透明陶瓷。目前,镁铝尖晶石透明陶瓷的烧结方法主要包括无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结等。


无压烧结


无压烧结是陶瓷制备工艺中最基本的烧结方法,具有简单易行、成本低、适于大尺寸和复杂形状样品批量化制备等优点。同时,可以用空气、真空和其他气体气氛进行烧结,适用的材料体系比较广。但是,镁铝尖晶石由于自身固有的性质在烧结后期很难将气孔完全排除,无法直接通过无压烧结制备高光学质量的透明陶瓷,通常需要与热等静压烧结相结合以进一步消除陶瓷内部的残余气孔。


热压烧结


热压烧结是一种在加热原料的同时施加轴向压力的烧结技术。在粉料受热膨胀软化时,对粉料施加一外力,促进了颗粒间的移动和有效接触,增加了传质动力,从而可以降低烧结温度、缩短烧结时间,并且可以抑制晶粒生长,从而获得具有良好性能的产品。但热压烧结制备样品形状单一,且生产效率比较低,制备成本高,样品的光学均匀性差,难以实现批量化生产。


热等静压烧结


热等静压烧结法采用高压惰性气体或氮气作为压力传递介质,压力更均匀,使加工产品具有高致密度和优秀的均匀性。热等静压烧结结合了热压烧结和无压烧结的优点,既可以促进烧结致密化,抑制晶粒生长,同时适合大尺寸、复杂形状样品的批量化制备。目前大部分镁铝尖晶石透明陶瓷是先通过热压烧结或者无压烧结方法得到开口气孔率接近0的预烧体,然后利用热等静压烧结消除残余气孔制备的。


放电等离子烧结


放电等离子烧结是利用脉冲电流瞬间放电产生大量的热能使粉料烧结致密的。脉冲电流产生的等离子体和压力的施加有利于降低粉末的烧结温度,而低电压和高电流的特征使粉末能够快速烧结且致密,该技术广泛用于制备透明陶瓷的研究。放电等离子烧结法具有升温快,烧结时间短的特点,其缺点是制备的样品尺寸小且形状简单,由于升温快,保温时间较短,使气孔的完全排除比较困难。


微波烧结


微波烧结是利用材料在微波电磁场中的介电损耗使陶瓷材料整体加热到烧结温度而实现致密化的快速烧结方法。它具有升温速度快、保温时间短等优点,可以有效抑制晶粒生长,从而制备出高透过率、高强度的透明陶瓷材料。通过控制电场均匀性、陶瓷的介电和导热性能可以保证样品内部的温度均匀性,防止局部过热现象的出现。


镁铝尖晶石透明陶瓷的应用


镁铝尖晶石透明陶瓷的透光范围涵盖了紫外至中红外波段,具有强度高、耐高温、热震性能优异、耐酸碱腐蚀、耐砂雨蚀等优点,可以广泛应用于诸多领域。镁铝尖晶石可以用作紫外光刻窗口和小型化透镜,在可见光区域,镁铝尖晶石具有很高的透过率,同时具有低密度、高强度、批量生产等优点,可以取代防弹玻璃、蓝宝石单晶成为轻质量、抗弹性能良好的装甲材料。镁铝尖晶石相对于其它材料而言,透光波段涵盖紫外和红外波段,可以实现紫外/红外双模制导,同时可以在高温等恶劣条件下保持良好的光学和力学性能,是红外窗口和整流罩的理想候选材料。通过掺杂合适的稀土元素,镁铝尖晶石透明陶瓷可以用于白光LED和激光材料领域。此外,镁铝尖晶石透明陶瓷还可以做条形码扫描器、手表、夜视系统和高温护目镜。


参考资料:

李俊逸.镁铝尖晶石透明陶瓷材料的制备及性能

冯垚.镁铝尖晶石透明陶瓷及玻璃陶瓷的制备和光学性能研究

韩丹.镁铝尖晶石透明陶瓷的制备与性能研究

付萍.尖晶石基透明陶瓷的制备及其光学、微波介电性能的研究


(中国粉体网编辑整理/初末)

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