專利名稱：：激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法及產(chǎn)品的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種激光快速制備透明陶瓷的材料及方法，特別是激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法及所得產(chǎn)品，屬于陶瓷
技術領域：
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背景技術：
：激光快速燒結(jié)成型是近年來在陶瓷領域新興的一種技術。是通過激光的特殊的輻照作用，來獲得傳統(tǒng)燒結(jié)方法所無法制備的高性能功能陶瓷材料。釔鋁石榴石透明陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強度等陶瓷特性，同時具有類似玻璃的透光性能，是用于激光發(fā)射器及熱輻射轉(zhuǎn)換器的耐高溫化學腐蝕結(jié)構(gòu)材料、核輻射記錄用的透明材料及照明燈罩的理想材料。制備高透明的釔鋁石榴石陶瓷材料關鍵在于合成出高活性，高純度釔鋁石榴石超細粉體以及特殊的燒結(jié)成型技術，目前，應用多是采用固相法和共沉淀法合成釔鋁石榴石粉體，再利用真空燒結(jié)制備透明釔鋁石榴石陶瓷。傳統(tǒng)的固相反應法是將釔和鋁的氧化物粉體按比例混合后反復球磨和長時間后高溫煅燒來獲得釔鋁石榴石相，由于球磨混合，難以消除YAM和YAP雜相；而且反應溫度高，合成周期長。真空燒結(jié)技術是利用陶瓷在高溫燒結(jié)過程處在超低氣壓環(huán)境中，利于氣孔的排除，得到接近理論密度的陶瓷燒結(jié)體。真空燒結(jié)所需的設備昂貴，燒結(jié)溫度高，時間長，所得到的透明陶瓷產(chǎn)品成本高的缺點。因此，研發(fā)一種合成高活性，高純度釔鋁石榴石超細粉體以及工藝簡單，周期短、成本低的燒結(jié)方法是釔鋁石榴石透明陶瓷工業(yè)化過程中的關鍵問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法，這種新的粉體制備和燒結(jié)方法能夠保證所得釔鋁石榴石陶瓷晶粒大小均勻，無孔洞和裂紋，缺陷少，致密度高，成本低，透明性能良好等特點。本發(fā)明是這樣構(gòu)成的激光快速制備釔鋁石榴石透明陶瓷的粉體材料，它是采用共沉淀法合成的。本發(fā)明所述激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法為將Y2O3和Al(NO3)3·9Η20配成硝酸鹽溶液，按照摩爾比35混合硝酸Y和硝酸Al的溶液，沉淀劑為碳酸氫氨，混合硝酸鹽溶液Al3+離子濃度控制為0.15mol/L；NH4HCO3濃度為1.5mol/L，碳酸氫氨用量按照[NH4HCO3]/[Al3+]=101，將Y、Al的混合硝酸溶液滴入沉淀劑中，將沉淀過濾，干燥后在馬弗爐中進行熱處理，熱處理制度為IOOiTC，保溫2小時，即獲得純相釔鋁石榴石粉體材料；制得的釔鋁石榴石純相粉體材料加入粘接劑進行塑化，所加的粘接劑為聚乙烯醇，聚合度17001800，加入量為重量百分數(shù)的1%。再過60目篩進行造粒，采用干壓法進行壓片，壓片參數(shù)為20MPa，所得到d=2mm,r=13mm的素坯片，再放入馬弗爐以90°C，2500C，4000C，550°C升溫順序下各保溫1個小時，即得到排膠干凈的干燥釔鋁石榴石素坯片；本發(fā)明所述的方法為將制得的干燥釔鋁石榴石素坯片直接采用寬帶CO2激光進行燒結(jié)。在激光工藝參數(shù)為功率P=300700W，掃描速度V=210mm/s，光斑尺寸D=16mmX2mm的條件下，進行快速燒結(jié)。通過組織與性能的綜合分析，優(yōu)選的寬帶激光燒結(jié)工藝參數(shù)為功率P=600W，掃描速度V=4mm/s，光斑尺寸D=16謹X2謹。上述工藝條件均是發(fā)明人通過正交實驗優(yōu)化、篩選出來的最佳工藝參數(shù)。在此工藝條件下可獲得良好的燒結(jié)質(zhì)量與效果。與現(xiàn)行的技術相比，本發(fā)明具有一下特點(1)采用共沉淀法合成釔鋁石榴石粉體材料，與固相法相比，粉體活性高，粒度均勻，不需要球磨，分散性好，釔和鋁元素達到原子級別的混合。(2)采用激光快速燒結(jié)釔鋁石榴石透明陶瓷，與真空燒結(jié)相比，不用坩堝，因而減少了來自外界帶來的雜質(zhì)污染的機率；合成時間短，節(jié)省能源；可控性強，可在制備過程中及時調(diào)整激光工藝參數(shù)及材料輻照范圍；成本低，適合工業(yè)化擴大生產(chǎn)。與窄帶激光和脈沖激光加工技術相比，寬帶激光加工技術有以下優(yōu)點1.增加了燒結(jié)帶寬度；節(jié)省燒結(jié)時間；2.均勻了光斑的能量，由于窄帶激光和脈沖激光光斑直徑較小，能量密度相當大，易造成燒結(jié)體表面材料汽化，影響燒結(jié)效果。3.加熱溫度均勻，降低了溫度梯度。寬帶激光燒結(jié)與真空燒結(jié)區(qū)別對照表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>為了驗證本發(fā)明制備效果，申請人進行了以下實驗1、實驗材料及試驗方法1.1實驗材料實驗材料如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>1.2樣品制備工藝流程見附圖1。首先用適量的濃硝酸(A.R)加熱溶解Y2O3制備成硝酸釔溶液，將Al(NO3)3·9H20溶于去離子水中制成硝酸鋁溶液，將這二種溶液按Y3Al5O12化學配比配制混合溶液，混合溶液Al3+離子濃度控制為0.15mol/L；NH4HCO3濃度為1.5mol/L,采用反向滴定法，將混合硝酸鹽溶液滴入到碳酸氫氨沉淀劑中，滴入速度2ml/min，滴入同時不斷攪拌，攪拌速率150-200r/min,用氨水控制PH=10.0,滴定結(jié)束后，時效12h，然后用蒸餾水清洗3次，除去殘留在溶液中的反應副產(chǎn)物，再用無水乙醇清洗2次以防止其在烘干過程中產(chǎn)生團聚。洗滌后的沉淀物經(jīng)真空抽濾，將得到濾餅在烘箱中100°C干燥12h，將干燥后的粉末于1000°C條件下焙燒2h。將焙燒的粉末加入總重量的PVA進行塑化，用60目篩造粒，采用干壓成型，壓片參數(shù)為20MP，保壓5min，得到d=2mm，r=13mm的素坯片，再放入馬弗爐以90°C，250°C，40(TC，55(rC升溫順序下各保溫1個小時，即得到排膠干凈的干燥釔鋁石榴石素坯片。1.3寬帶激光燒結(jié)工藝參數(shù)在工藝參數(shù)為功率P=300700W，掃描速度V=210mm/s，光斑尺寸D=16mmX2mm的寬帶CO2激光器下，進行激光快速燒結(jié)。1.4組織性能測試利用GX51型OM金相顯微鏡進行顯微組織觀察；用D8-GADDS型X射線衍射儀測量樣品的晶體結(jié)構(gòu)(CuKa輻射，管壓為40kV)；用美國FEI公司XL30ESEM型場發(fā)射掃描電鏡觀察粉末及陶瓷片的微觀形貌。2、實驗結(jié)果與分析2.1粉體XRD物相分析和形貌分析1000°C焙燒的粉末衍射峰標準卡PDF33-0040對應完好，沒有其它雜峰，可知獲得純相釔鋁石榴石，SEM照片顯示粉體團聚輕，粒度分布均勻，都是球形，平均粒度為500nm。2.2釔鋁石榴石透明陶瓷的激光燒結(jié)性能分析從燒結(jié)樣品的宏觀形貌中看出樣品表面生成致密、光亮、透明的燒結(jié)層，燒結(jié)層厚度為Imm左右。釔鋁石榴石粉體材料在寬帶激光照射下，表面迅速吸收能量，溫度上升較快，率先達到材料熔點，發(fā)生熔化形成熔池，激光所具有的光粒子性對熔池原子碰撞、沖壓，再被吸收，熔池中的氣泡在激光作用下，竄動、擠壓、最后排除，得到致密、光亮的燒結(jié)層，由于陶瓷粉體導熱性差，陶瓷樣品分為表面成瓷區(qū)和熱影響區(qū)。樣品光亮的燒結(jié)層的拋光SEM圖顯示晶粒尺寸為10μm左右且分布均勻，沒有異常晶粒；晶粒中沒有封閉氣孔存在，發(fā)育完整；晶界處存在少量氣孔。2.3釔鋁石榴石透明陶瓷的激光燒結(jié)影響因素釔鋁石榴石透明陶瓷激光燒結(jié)成型實際上就是釔鋁石榴石粉末材料在激光作用下快速熔化凝固、形成燒結(jié)層的過程。在這個過程中，由于粉末材料結(jié)構(gòu)疏松、密度較小、導熱性能差，容易引起燒結(jié)過程中粉末材料表面急劇升溫，部分材料粉末熔化甚至汽化，甚至發(fā)生破裂產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。燒結(jié)參數(shù)的選擇目標就在于平穩(wěn)成型過程，減小或消除燒結(jié)層中的氣孔，抑制粉末的劇烈汽化飛濺，形成質(zhì)量良好的燒結(jié)層面?？偟膩碚f，燒結(jié)參數(shù)的選擇主要包括激光功率、掃描速度和光斑尺寸。激光功率和掃描速度主要影響激光作用區(qū)內(nèi)的能量密度，激光功率過大或者掃描速度過慢，易產(chǎn)生或加劇粉末材料的劇烈汽化或飛濺現(xiàn)象，產(chǎn)生氣泡得不到良好的燒結(jié)層；激光功率過小或者掃描速度過慢，則不利于晶粒生長，粉體未產(chǎn)生熔池，得不到燒結(jié)層。光斑尺寸與激光功率的選擇主要影響激光作用區(qū)內(nèi)的能量密度，光斑直徑越小，激光功率越高，激光作用范圍內(nèi)激光的能量密度越高。因此，選擇合適的激光燒結(jié)工藝參數(shù)是制備出透明釔鋁石榴石陶瓷的關鍵。實驗結(jié)論(1)以Y203、A1(NO3)3·9H20為原料，碳酸氫氨為沉淀劑，均相共沉淀法制備出純相超細釔鋁石榴石粉體。(2)樣品的晶粒尺寸為ΙΟμπι左右且分布均勻，沒有異常晶粒；晶粒中沒有封閉氣孔存在，發(fā)育完整；晶界處存在少量氣孔。(3)討論了燒結(jié)工藝參數(shù)的影響，選擇合適的寬帶激光燒結(jié)工藝參數(shù)是制備釔鋁石榴石透明陶瓷的關鍵。圖1是本發(fā)明制備工藝流程圖。具體實施例方式本發(fā)明實施例1將Y2O3和Al(NO3)3·9Η20配成硝酸溶液，按照摩爾比35混合Y和Al的硝酸溶液，碳酸氫氨為沉淀劑，采用共沉淀法將Υ，Α1的混合硝酸鹽溶液滴入沉淀劑中，所得的沉淀過濾、干燥后在馬弗爐1000°C熱處理2小時，即得釔鋁石榴石純相粉體材料。釔鋁石榴石純相粉體材料加入重量百分數(shù)的聚乙烯醇進行塑化，造粒，壓片，得到的素坯片，再放入馬弗爐排膠，即制得排膠干凈的干燥釔鋁石榴石素坯片。然后放入連續(xù)寬帶CO2激光器下進行寬帶激光輻照燒結(jié)，工藝參數(shù)為功率P=300700W，掃描速度V=210mm/s，光斑尺寸D=16mmX2mm。優(yōu)選的寬帶激光燒結(jié)工藝參數(shù)為功率P=600W,掃描速度V=4mm/s，光斑尺寸D=16mmX2mm。得到晶粒細小，氣孔率低，致密度高，透明性能良好釔鋁石榴石透明陶瓷。權利要求激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法，其特征在于用Y2O3和Al(NO3)3·9H2O配成硝酸鹽溶液，獲得純相釔鋁石榴石粉體材料；再將其制備成排膠干凈的干燥釔鋁石榴石素坯片；最后用寬帶CO2激光進行燒結(jié)。2.按照權利要求1所述的激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法，其特征在于將Y203和Al(N03)3-9H20配成硝酸鹽溶液，按照摩爾比35混合硝酸Y和硝酸Al的溶液，沉淀劑為碳酸氫氨，混合硝酸鹽溶液A13+離子濃度控制為0.15mol/L；NH4HC03濃度為1.5mol/L，碳酸氫氨用量按照[NH4HC03]/[A13+]=101，將Y、Al的混合硝酸溶液滴入沉淀劑中，將沉淀過濾，干燥后在馬弗爐中進行熱處理，熱處理制度為1000°C，保溫2小時，即獲得純相釔鋁石榴石粉體材料；制得的釔鋁石榴石純相粉體材料加入粘接劑進行塑化，所加的粘接劑為聚乙烯醇，聚合度17001800，加入量為重量百分數(shù)的1%。再過60目篩進行造粒，采用干壓法進行壓片，壓片參數(shù)為20MPa，所得到d=2mm,r=13mm的素坯片，再放入馬弗爐以90°C，250°C，400°C，550°C升溫順序下各保溫1個小時，即得到排膠干凈的干燥釔鋁石榴石素坯片；在激光工藝參數(shù)為功率P=300700W，掃描速度V=210mm/s，光斑尺寸D=16mmX2mm的條件下，進行快速燒結(jié)。3.如權利要求1或2所述的激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法，其特征在于采用寬帶C02激光在功率P=300700W，掃描速度V=210mm/s，光斑尺寸D=16mmX2mm的條件下，進行激光快速燒結(jié)。4.如權利要求1或2所述的激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法得到的產(chǎn)品釔鋁石榴石陶瓷粉體材料。全文摘要本發(fā)明公開了一種激光燒結(jié)制備釔鋁石榴石陶瓷粉體材料的合成方法及產(chǎn)品，特別是釔鋁石榴石(Y3Al5O12)透明陶瓷的材料制備及激光燒結(jié)方法，它是以Y2O3、Al(NO3)3·9H2O按一定比例配制，經(jīng)共沉淀法合成超細的純相釔鋁石榴石粉體；經(jīng)造粒、壓坯、排膠，再采用寬帶CO2激光快速燒結(jié)制備而成；本發(fā)明具有價格便宜、易于工業(yè)化生產(chǎn)、燒結(jié)耗能少，燒結(jié)時間短的特點；所制得的釔鋁石榴石透明陶瓷產(chǎn)品晶粒細小，氣孔率低，致密度高，透明性能良好，可用于照明技術、高溫技術以及激光技術等領域。文檔編號C04B35/64GK101798228SQ20091031183公開日2010年8月11日申請日期2009年12月18日優(yōu)先權日2009年12月18日發(fā)明者劉其斌,劉智勇,龐馳申請人:貴州大學