一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，属于透明陶瓷材料技术领域。本发明工艺方法以铝盐和硫酸铵为原料配制混合原料溶液，将所配混合原料溶液缓慢滴入碳酸氢铵配制的沉淀剂中，充分反应得到沉淀物，沉淀物洗涤抽滤烘干后经焙烧得到伽马相氧化铝纳米粉体；将制备的纳米粉体装入模具成型素坯，然后送入两面顶压机设备中经两步超高压力烧结即得高透明γ‑Al

说明书

技术领域

本发明属于透明陶瓷材料技术领域，具体涉及一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法。

背景技术

蓝宝石(α-Al

20世纪60年代，美国通用公司的Coble博士首次发现并制备了半透明α-Al

氧化铝具有多种同质异晶体，常见的有α、β、γ、θ、χ、δ、η等十多种晶型。其中，亚稳相伽马型氧化铝(γ-Al

为了合成出高透明度的伽马型氧化铝透明陶瓷，研究者们进行了不同的尝试和不懈的努力。法国Beauvoir等(Thomas Hérisson de Beauvoir,Claude Estournès,Translucentγ-AlOOH andγ-Al

发明内容

针对背景技术中提到的问题及缺陷，本发明的目的在于提供一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，本发明方法制备的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料不仅其光学透过率可媲美蓝宝石单晶体，而且其陶瓷晶粒尺寸小于20nm。本发明具体是通过如下技术方案实现的：

一种近蓝宝石光学质量的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷材料的制备方法，工艺步骤如下：

S1、制备伽马型氧化铝纳米粉体

1)将铝盐和硫酸铵溶于去离子水中，配制混合原料溶液，将碳酸氢铵溶于乙醇水溶液，配制沉淀剂；

2)称取步骤1)所述混合原料溶液与沉淀剂，在常压、10-18℃条件下将混合原料溶液滴入沉淀剂中，滴定时不断搅拌并陈化，至溶液完全反应得到沉淀物；其中，混合原料溶液与沉淀剂滴定混合比例按混合原料溶液中铝离子与沉淀剂中碳酸氢铵摩尔量之比1：(3-6)；

3)取步骤2)所述沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤，抽滤、烘干后得到前驱体粉末，所述前驱体粉末经焙烧后得到伽马相氧化铝纳米粉体；

S2、粉体成型

将S1制备的伽马相氧化铝纳米粉体装入模具，在常温、8-15MPa条件下成型素坯，保压5-10分钟；

S3、两步超高压力烧结

将S2成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，首先升压至6-8GPa并保压5-10分钟，保压结束后快速降压至3-5.5GPa，在此压力条件下升温进行致密化烧结，烧结后卸压至常压，即得高透明γ-Al

进一步地，S1所述铝盐为Al(NO

进一步地，S1所述铝盐与硫酸铵按铝盐中Al

进一步地，S1所述乙醇水溶液由无水乙醇和水按体积比(1-3)：5混合而得。

进一步地，S1滴定的速度为0.4-0.8L/h。

进一步地，S1滴定时搅拌速度为90-120rpm。

进一步地，S1所述焙烧条件为常压、500-800℃，焙烧时间1-2h。

进一步地，S3所述致密化烧结条件为温度300-500℃，烧结时间30-60min。

进一步地，S3烧结后卸压的速度为3-6bar/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明制备方法提供了一种有效制备纳米级γ-Al

2、本发明制备方法中，硫酸铵、乙醇和水配合使用不但可调控反应溶液的pH，还能起到分散的作用，因而添加硫酸铵和复合溶剂能够增加反应体系的体积和提高离子扩散速率，使原料中的金属离子在溶液中更易于均匀混合并均匀沉淀，从而促进所得γ-Al

3、本发明所述方法将γ-Al

4、本发明所述方法可根据γ-Al

5、本发明中将自主合成的γ-Al

6、本发明中γ-Al

7、相对于现有的α-Al

8、相对于现有的α-Al

附图说明

图1是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备纳米粉体的X射线衍射(XRD)曲线，从图上曲线表明所合成的氧化铝粉体的是纯相的伽马型氧化铝晶系。

图2是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的伽马型氧化铝纳米粉体的扫描电子显微镜(SEM)照片和透射电子显微镜(TEM)照片，从图上曲线表明所合成的伽马氧化铝粉体的分散性好，颗粒尺寸平均为13nm。所述SEM测试仪器型号为S-4800，由HITACHI公司生产；所述TEM测试仪器型号TEMJEM-100CX，由HITACHI公司生产。

图3是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷的实物照片，该照片分别是不同GPa级压力烧结后未抛光(Φ10×6mm

图4是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷的透过谱，该透过率曲线以规格为Φ10×6mm

图5是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所烧结的伽马型氧化铝(γ-Al

图6是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的伽马型氧化铝透明纳米晶陶瓷的SEM照片和TEM照片，这些图片表明，所述透明陶瓷的平均晶粒尺寸小于20nm。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，并非用于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下述各实施例中，所述铝盐、氢氧化铝、碳酸氢铵、硫酸铵和无水乙醇均为分析纯试剂。所述pH计由上海自动化仪表有限公司生产，型号为PHS-3C型。

实施例1

本实施例中，γ-Al

1、制备伽马型氧化铝纳米粉体

1)以Al(NO

2)按照铝离子的摩尔量和碳酸氢铵的摩尔量之比为1：3分别量取上述步骤1)的混合原料溶液和沉淀剂溶液，在常压、18℃下，通过蠕动泵调节滴定速度，以0.4L/h的速度将混合原料溶液滴至500mL沉淀剂溶液中，滴定时不断搅拌并陈化，直至溶液完全反应，得到混合均匀的沉淀。

3)将该沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤并抽滤，抽滤后的沉淀物经烘干后，在常压、500℃焙烧2h，得到伽马相氧化铝纳米粉体。

2、粉体成型

将步骤1制备的γ-Al

3、两步超高压烧结

将步骤2中成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，经30min将压力升至8GPa，并保持该压力5min，接着快速降压至5GPa，在上述压力下开始升温至300℃进行致密化烧结，烧结时间30min，保温结束后在5分钟内将温度降至室温，并将压力以3bar/min的速率卸压至常压，即制得高透明γ-Al

该烧结后的陶瓷照片如图3所示，透过谱如图4所示，由图3和图4可知，本实施例所制备透明陶瓷样品的透明度非常高，其可见至中红外的透过率均能达到85％，并且紫外透过率高于55％。将烧结后的陶瓷产物用X射线衍射仪(D/max-rA型转靶，Cu-Kα辐射，40kv×1100mA)检测，其XRD曲线见图5，由图5可知本实施例制备的烧结产物均为γ-Al

实施例2

本实施例中，γ-Al

1、制备伽马型氧化铝纳米粉体

1)以Al

2)按照铝离子的摩尔量和碳酸氢铵的摩尔量之比为1：6分别量取上述步骤1)的混合原料溶液和沉淀剂溶液，在常压、10℃下，通过蠕动泵调节滴定速度，以0.6L/h的速度将混合原料溶液滴至500mL沉淀剂溶液中，滴定时不断搅拌并陈化，直至溶液完全反应，得到混合均匀的沉淀。

3)将该沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤并抽滤，抽滤后的沉淀物经烘干后，在常压、600℃焙烧2h，得到伽马相氧化铝纳米粉体。

2、粉体成型

将步骤1制备的γ-Al

3、两步超高压烧结

将步骤2中成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，经30min将压力升至7GPa，并保持该压力8min，接着快速降压至4GPa，在上述压力下开始升温至500℃进行致密化烧结，烧结时间40min，保温结束后在5分钟内将温度降至室温，并将压力以4bar/min的速率卸压至常压，即制得高透明γ-Al

该烧结后的陶瓷照片如图3所示，透过谱如图4所示，由图3和图4可知，本实施例所制备的透明陶瓷样品的透明度高，其可见至中红外的透过率均能达到85％，并且紫外透过率高于55％。将烧结后的陶瓷产物用X射线衍射仪(D/max-rA型转靶，Cu-Kα辐射，40kv×1100mA)检测，其XRD曲线见图5，由图5可知本实施例制备的烧结产物均为γ-Al

实施例3

本实施例中，γ-Al

1、制备伽马型氧化铝纳米粉体

1)以NH

2)按照铝离子的摩尔量和碳酸氢铵的摩尔量之比为1：10分别量取上述步骤1)的混合原料溶液和沉淀剂溶液，在常压、16℃下，通过蠕动泵调节滴定速度，以0.5L/h的速度将混合原料溶液滴至500mL沉淀剂溶液中，滴定时不断搅拌并陈化，直至溶液完全反应，得到混合均匀的沉淀。

3)将该沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤并抽滤，抽滤后的沉淀物经烘干后，在常压、700℃焙烧2h，得到伽马相氧化铝纳米粉体。

2、粉体成型

将步骤1制备的γ-Al

3、两步超高压烧结

将步骤2中成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，经20min将压力升至6GPa，并保持该压力10min，接着快速降压至3GPa，在上述压力下开始升温至500℃进行致密化烧结，烧结时间60min，保温结束后在5分钟内将温度降至室温，并将压力以6bar/min的速率卸压至常压，即制得高透明γ-Al

该烧结后的陶瓷照片如图3所示，透过谱如图4所示，由图3和图4可知，本实施例所制备的透明陶瓷样品的透明度高，其可见至中红外的透过率均能达到85％，并且紫外透过率高于55％。将烧结后的陶瓷产物用X射线衍射仪(D/max-rA型转靶，Cu-Kα辐射，40kv×1100mA)检测，其XRD曲线见图5，由图5可知本实施例制备的烧结产物均为γ-Al

实施例4

本实施例中，γ-Al

(1)制备伽马型氧化铝纳米粉体

1)以NH

2)按照铝离子的摩尔量和碳酸氢铵的摩尔量之比为1：7分别量取上述步骤1)的混合原料溶液和沉淀剂溶液，在常压、15℃下，通过蠕动泵调节滴定速度，以0.8L/h的速度将混合原料溶液滴至500mL沉淀剂溶液中，滴定时不断搅拌并陈化，直至溶液完全反应，得到混合均匀的沉淀。

3)将该沉淀物通过去离子水和无水乙醇洗涤并抽滤，抽滤后的沉淀物经烘干后，在常压、800℃焙烧1h，得到伽马相氧化铝纳米粉体。

2、粉体成型

将步骤1制备的γ-Al

3、两步超高压烧结

将步骤2中成型的素坯经组装后放入两面顶高压设备中，经20min将压力升至6.5GPa，并保持该压力6min，接着快速降压至5.5GPa，在上述压力下开始升温至300℃进行致密化烧结，烧结时间50min，保温结束后在5分钟内将温度降至室温，并将压力以5bar/min的速率卸压至常压，即制得高透明γ-Al

该烧结后的陶瓷照片如图3所示，透过谱如图4所示，由图3和图4可知，本实施例所制备的透明陶瓷样品的透明度高，其可见至中红外的透过率均能达到85％，并且紫外透过率高于55％。将烧结后的陶瓷产物用X射线衍射仪(D/max-rA型转靶，Cu-Kα辐射，40kv×1100mA)检测，其XRD曲线见图5，由图5可知本实施例制备的烧结产物均为γ-Al

以上所描述的实施例仅表达了本发明的几种优选实施例，其描述较为具体和详细，但并不用于限制本发明。应当指出，对于本领域的技术人员来说，本发明还可以有各种变化和更改，凡在本发明的构思和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。