多晶透明氧化铝陶瓷材料的研究与制备

论文摘要

多晶透明氧化铝陶瓷材料是应用于光学、照明、激光等行业的优秀基质材料。本课题研究多晶透明氧化铝的原料-高纯度氧化铝粉的制备及性能，并在此基础上以固相反应烧结法为前提，研究多晶透明氧化铝陶瓷晶相结构的影响因素并以此制作具有均匀晶相结构的透明氧化铝的产品，最终实现高纯度的氧化铝粉和透明氧化铝陶瓷产品的工业化生产。1．通过对硫酸铝铵热解制备高纯氧化铝粉的动力学和热力学的分析以及对所制备的氧化铝粉的前期试验和性能分析，提出和制定了无压三段式热解控制前驱核化速度和晶体长大的速度的新工艺，并通过产业化的规模生产，成功获得了活性高、粒径分布窄、类球形、纯度为99．99％的高纯氧化铝粉。2．通过采用XRD的定性分析，扫描电镜的形貌观察及比表面积的测试等手段，对规模化生产硫酸铝铵热解制备的高纯氧化铝粉进行了全面分析和表征，提出硫酸铝铵热解温度相变的新过程：并提出高纯度的类球形的氧化铝粉的团聚现象为分子间范德华引力引起的软团聚。但原晶粒度大于450nm时（比表面积在小于3．33m2／g）的氧化铝粉，为球形颗粒粉体的分散区。3．通过对该氧化铝粉的不同温度的实际烧结测试，发现其烧结特点是前期的致密化和晶粒长大同时进行，而在后期1420℃-1600℃是粉体烧结致密化的决定阶段，超过1700℃以后是晶粒急剧生长阶段，并拟合给出线形致密化曲线。4．通过研究氧化铝粉的表观性能对多晶透明氧化铝陶瓷晶相结构的影响发现，使用原晶形貌为类球形的氧化铝粉体，有利于六边形氧化铝晶体形貌的形成，其晶体尺寸和粉体的比表面积成反比线形关系；使用低比表面积的粉体有利于其晶体形状和结构的稳定；制备分散性能良好的呈牛顿型流变特征的悬浮体是取得透明氧化铝陶瓷的均匀晶相结构的必须条件。5．通过研究烧结外加剂对透明氧化铝陶瓷的晶相结构的影响发现，MgO在小于1700℃时在晶界能比较高的非{0001}面生成异相镁铝尖晶石，从而在高温时对具有最低界面能的{0001}六边形晶体形状起到钉扎作用，有利于形成均匀六边形的晶相结构，其含量对晶体尺寸大小具有明显的控制作用；ZrO2和TiO2均能和氧化铝形成低溶固溶体，促进烧结，在含量一定的条件下，也能形成均匀的晶相结构，但在一定程度上会降低陶瓷的强度和光透过率；而Y2O3、La2O3由于存在的浓度偏析，对晶体结构容易产生扰乱作用，但可以促进气孔的排除，提高透过率。6．在工业化生产中，通过使用类球形亚微米的氧化铝粉，选择合适的工艺制备路线和工艺参数，在无压气氛烧结中，可以获得晶粒平均尺寸为25μm均匀的晶相结构的透明陶瓷产品，其600nm的单光透过可达50％，达到目前采用固相反应烧结法制作透明氧化铝产品的最好水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 多晶透明陶瓷
• 1.2 多晶透明陶瓷材料的应用现状与发展
• 1.2.1 照明领域的应用
• 1.2.2 激光陶瓷介质
• 1.3 多晶透明氧化铝陶瓷的制备研究进展
• 1.3.1 原料制备方法
• 1.3.2 高纯氧化铝粉体的制备方法
• 1.3.3 高纯氧化铝粉体的基本性能
• 1.3.3.1 制备方法对粉体表观性能的影响
• 1.3.3.2 高纯氧化铝粉体团聚状态
• 1.3.4 成型方法
• 1.3.5 烧结方法
• 1.4 多晶透明氧化铝陶瓷的透光率
• 1.4.1 本征因素和环境因素对透光性能的影响
• 1.4.2 晶体结构对透光性的影响研究
• 1.4.2.1 透明陶瓷的透光性理论研究
• 1.4.2.2 决定透明氧化铝陶瓷透明度的结构因素
• 1.4.3 掺杂元素对晶体结构和光谱特性的影响研究
• 1.5 本论文研究的主要内容、方案和意义
• 第2章 亚微米类球形高纯氧化铝粉的制备及特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 硫酸铝铵热解动力学分析
• 2.2.1 硫酸铝铵热分解过程的化学热力学判断
• 2.2.2 硫酸铝铵分解化学动力学
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 氧化铝粉体制备
• 2.3.1.1 高纯硫酸铝铵晶体制备
• 2.3.1.2 高纯氧化铝粉制备
• 2.3.2 性能测试
• 2.4 结果分析与讨论
• 2.4.1 硫酸铝铵热解过程
• 2.4.1.1 硫酸铝铵热解相变
• 2.4.1.2 相变温度对晶核尺寸和比表面积的影响
• 2.4.2 原晶形成过程与形貌
• 2.4.2.1 热解工艺对原晶形貌的影响
• 2.4.2.2 原晶形貌的形核
• 2.4.2.3 一次原晶形貌形成过程
• 2.4.3 高纯氧化铝粉体的表观性能
• 2.4.3.1 团聚体形成的原因
• 2.4.3.2 晶体形貌对粉体粒度分布的影响
• 2.4.4 氧化铝粉体加热致密化特性
• 2.4.4.1 烧结致密化特点及表征
• 2.4.4.2 烧结活性及其影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 多晶透明氧化铝陶瓷晶相结构的研究
• 3.1 粉体性能对多晶透明氧化铝晶相结构的形成影响研究
• 3.1.1 试验过程
• 3.1.2 结果与讨论
• 3.1.2.1 原晶形貌的影响
• 3.1.2.2 粉体表观性能影响
• 3.2 分散性能及其对多晶透明氧化铝晶相结构的影响
• 3.2.1.试验过程
• 3.2.2 结果与讨论
• 2O₃亚微米氧化铝粉的分散特性影响'>3.2.2.1 表面活性剂对α-Al₂O₃亚微米氧化铝粉的分散特性影响
• 3.2.2.2 湿法球磨机械分散作用
• 3.2.2.3 分散效果对透明氧化铝的晶体结构的影响
• 3.3 外加剂对多晶透明氧化铝晶相结构的影响
• 3.3.1 试验过程
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.2.1 氧化铝陶瓷晶体生长特性分析
• 3.3.3.2 单元素外加剂氧化镁的作用
• 3.3.2.3 复合元素外加剂的作用
• 3.3.2.4 外加剂与晶体结构的物理性能关系
• 3.2.2.5 不同外加剂的陶瓷光谱特性
• 3.4 本章小结
• 第4章 透明氧化铝陶瓷产品制备研究
• 4.1 主要生产原料、主要生产设备
• 4.2 主要制备工艺研究
• 4.2.1 二次颗粒组成及形貌研究
• 4.2.2 干压成型的研究
• 4.2.3 烧成制度的研究
• 4.3 生产工艺制备
• 4.4 产品微观结构及性能
• 4.4.1 产品微观结构
• 4.4.2 产品性能检验
• 4.5 生产产品介绍
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文主要研究结果如下
• 5.2 本文的不足之处与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历