氢气气氛下两步法无压烧结制备Al2O3半透明陶瓷

朱 渊，张晓娟，2，刘桂武，乔冠军

（1.西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，西安710049；2.西安工程大学理学院，西安710048）

0 引 言

20世纪60年代Coble［1］研制成功了第一块半透明多晶Al2O3陶瓷，由于其具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀和优良的光学性能而被广泛应用于高压钠灯、金属卤灯等照明领域。

对于多晶Al2O3半透明陶瓷来说，一方面，减小晶粒尺寸可以提高其力学性能，如硬度和强度［2–6］，从而延长使用寿命；另一方面，要提高透光性能，就要求其烧成密度接近理论密度，尽量减少气孔的存在。要同时满足以上两点就要求降低烧结温度以保持较小的晶粒尺寸，同时施加压力保证气孔的排除，使试样达到致密。针对这两点要求，目前主要采取的烧结方法有热压烧结［7］、热等静压烧结［8］和等离子体烧结［9］，其中热等静压烧结对设备要求高，生产成本较高，不利于工业化生产；而热压烧结和等离子体烧结不易制备形状复杂的试样，多限于实验室研究。

目前，已有学者提出了制备小晶粒（纳米至亚微米）、高致密度、低气孔率陶瓷的方法［10］，两步法无压烧结就是其中的一种［11］，目前它已在、、、和等陶瓷的烧结上获得了应用。另外，在氢气气氛中烧结Al2O3半透明陶瓷有利于气孔的排除及试样致密度的提高［18］，对于提高透光率是十分有利的。如果把以上两者结合起来，就可以降低能耗与生产成本，有利于工业化生产，同时也有望提高材料的力学性能和产品的使用寿命。然而，现阶段将两步法烧结与氢气气氛烧结结合起来制备Al2O3半透明陶瓷的研究还很少，为此，作者在氢气气氛中采用两步法无压烧结技术制备了Al2O3半透明陶瓷，确定出了第一步烧结和第二步烧结的温度范围，并分析了用该法制备陶瓷的光学性能和力学性能。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

将市售高纯α－Al2O3微米级粉与烧结助剂（MgO和Y2O3的混合物，两者的质量比为5∶2）按比例混合，其中添加MgO主要是为了抑制晶粒的异常长大［19］，添加Y2O3主要是为了提高烧结速率，加速试样的致密化［20］；然后，将粉料加入乙醇在ND7－4L型行星球磨机上进行球磨混料，混好后将料浆在70℃的干燥箱中干燥24h，干燥后过筛造粒；最后，在LDT－6000型冷等静压机上采用冷等静压成型制备素坯，成型压力为200MPa。

将素坯在氢气气氛、常压下，从室温以10℃·min－1的恒定速率升温至1 350～1 900℃，不保温，直接炉冷至室温，测试不同温度下试样的晶粒大小和相对密度，从而获得密度、晶粒大小和致密化速率与温度的关系曲线，用以确定第一步烧结温度T1。

将素坯在氢气气氛、常压下，从室温以10℃·min－1的恒定速率升温至1 450～1 900℃，在不同温度点保温0～3h，通过测试试样的晶粒大小和相对密度，获得密度、晶粒大小随保温时间变化的曲线，用以确定第二步烧结温度T2。

最后将素坯在氢气气氛下以恒定速率10℃·min－1升温至1 750℃后迅速炉冷降温至1 650℃，然后保温2h，再随炉冷却至室温，制得φ15mm×1mm的圆柱试样。

1.2 试验方法

将制得试样进行双面抛光，利用UV－1800PC型分光计和积分球测试样的透光率；用Quanta 600FEG型扫描电镜（SEM）对试样的微观结构进行观察；用Instron1195型万能电子试验机测试样的三点弯曲强度；用HV－1000型维氏硬度计测试样的维氏硬度；采用阿基米德排水法测试样的相对密度。

2 试验结果与讨论

2.1 第一步烧结温度T1的确定

由图1可见，烧结温度在1 350～1 550℃时，试样的相对密度变化不大，且都比较低，这不利于第二步烧结的致密化过程［11］。图2的致密化速率曲线中在1 650～1 750℃区间出现了一个平台，之后致密化速率下降，根据Hansen等的烧结模型［21］可知，这种下降是由于烧结末期晶粒的突然长大造成的。从图2晶粒大小－温度曲线可以看到，1 750℃以上晶粒的长大确实加快了，在1 900℃时长大的更明显。伴随着晶粒的突然长大，扩散距离就会增加，烧结致密就变得困难，这样不利于第二步烧结。所以，确定T1的上限为1 750℃；又由于1 650℃以下致密化速率较慢，所以选择1 650℃作为T1的下限。

2.2 第二步烧结温度T2的确定

从图3（a）可以看出，当烧结温度高于1 750℃时，不保温试样的晶粒尺寸比较大。对1 750℃以下温度的点做线性拟合发现，烧结温度在1 650℃以上时直线的斜率突然增大，在1 650℃以下的斜率则都较小，且差别不大，这说明随着保温时间的延长，烧结温度在1 650℃以上时晶粒的生长速度很快，所以选取1 650℃作为T2的上限。

从图3（b）可以看出，烧结温度在1 550℃以下时，虽然保温很长时间（3h），但试样的相对密度还是较低（95%以下），这可能是因为在较低的烧结温度下，Al2O3陶瓷主要是表面扩散或Ostwald熟化（OR）机制在起主导作用［22］，而这种作用不仅不利于致密化，而且还会造成气孔的增大，会对试样的光学性能有较大的不利影响，所以将T1的下限定为1 600℃。

2.3 烧结性能

将两步无压烧结（T1＝1 750℃，T2＝1 650℃）制备的试样与传统一步烧结制备的（烧结温度1 800℃，保温2h）做对比，结果如表1所示。

表1 两种烧结方法制备试样的光学性能和力学性能Tab.1 Opitical and mechnical performances of samples prepared by the two sintering processes

从表1可以看出，两步烧结法制备试样的直线透光率下降较为明显，这是由其平均粒径减小、晶界增多导致光的散射增加所致；但其全透光率仍然可以满足灯管的要求。另外，其力学性能有了大幅提高，能有效延长产品的使用寿命。

从图4可以看出，两步烧结法制备试样的晶粒尺寸约为6μm，与升温至1 750℃不保温情况下试样的平均晶粒大小（4.5μm）相比，没有明显长大。可见该方法很好地控制了晶粒的长大；并且透明性较好。

3 结 论

（1）采用两步法无压烧结技术在氢气气氛下制备了Al2O3半透明陶瓷，其第一步烧结温度T1和第二步烧结温度T2的范围分别为1 650～1 750℃和1 600～1 650℃。

（2）采用该烧结法制备的试样在力学性能上较一步烧结的有了大幅提高，其光学性能达到了灯管的要求。

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