凝膠鑄成型亞微米級(jí)透明氧化鋁光學(xué)性能研究

凝膠鑄成型亞微米級(jí)透明氧化鋁光學(xué)性能研究第37卷增刊12008年1月稀有金屬材料與工程RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGVO137,SUPP11JANUARY2008凝膠鑄成型亞微米級(jí)透明氧化鋁光學(xué)性能研究齊龍浩,沈健,杜逢亮,潘偉,苗赫濯清華大學(xué)先進(jìn)陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084摘要多晶半透明氧化鋁陶瓷作為高壓鈉燈燈管和各種窗體材料等已在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用但由于其強(qiáng)度低,耐腐蝕和透光性差無法滿足新一代陶瓷金屬鹵素?zé)魺艄芨邚?qiáng)度,高透明和耐腐蝕的要求以高純超細(xì)氧化鋁粉作為原料,采用凝膠鑄成型,并經(jīng)過低溫?zé)o壓燒結(jié)和熱等靜壓后處理,制備出了高強(qiáng)度亞微米級(jí)透明氧化鋁陶瓷,實(shí)驗(yàn)表明該陶瓷在可見光區(qū)的全透比可達(dá)到75,直線透過率最高可以達(dá)到37研究還發(fā)現(xiàn)無壓預(yù)燒結(jié)溫度對(duì)材料的微觀缺陷以及最終的光學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生重要的影響關(guān)鍵詞凝膠鑄透明氧化鋁全透率直線透過率中圖法分類號(hào)TG1464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1002185X2008S144603照明用電量在終端用電中僅次于電機(jī)居第2位,我國(guó)照明耗電大體占全國(guó)總發(fā)電量的1014耗電達(dá)三峽水利發(fā)電能力8410KWHJ2倍左右金屬鹵化物燈具有優(yōu)良的顯色性,近似目光的色表和較高的發(fā)光效率,被認(rèn)為是21世紀(jì)人類應(yīng)用最廣泛,最有前途的照明光源之一在工業(yè)照明,商業(yè)照明,體育場(chǎng)館照明以及道路照明等大空間照明方面成為首選的照明光源,具有巨大的市場(chǎng)潛力目前市場(chǎng)上的金屬鹵素?zé)舸蠖疾捎檬⒉ＡОl(fā)光管,高溫下金屬鹵化物容易與石英發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成金屬損失,發(fā)光顏色漂移,影響金鹵燈的質(zhì)量穩(wěn)定性和使用壽命高純,高強(qiáng)度,亞微米透明氧化鋁陶瓷比石英玻璃有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,可在更高的溫度下1200工作,因而成為新一代陶瓷金屬鹵化物燈理想的燈管材料,受到廣泛的重視在前期工作【L】中采用高純超細(xì)氧化鋁粉體,通過凝膠鑄成型,無壓燒結(jié),熱等靜壓后處理工藝成功制各了高強(qiáng)度,透明氧化鋁陶瓷,并探討了預(yù)燒結(jié)溫度和等靜壓后處理溫度對(duì)晶粒尺寸及彎曲強(qiáng)度的影響本文將進(jìn)一步研究該透明氧化鋁陶瓷材料的透光性能以及燒結(jié)工藝對(duì)透光性能的影響1實(shí)驗(yàn)采用日本大明公司生產(chǎn)的純度為9999的氧化鋁粉凝膠鑄成型采用丙烯酰胺AM為有機(jī)單體,分散劑為DARVANC美國(guó)RTVANDERBILTCO,交聯(lián)劑為亞甲基雙丙烯酸胺MBAM,引發(fā)劑為過硫酸銨,催化劑為四甲基乙二胺TEMED凝膠鑄成型干燥后得到了5060致密度的坯體,通過排膠,無壓燒結(jié)和熱等靜壓后處理得到了透明氧化鋁陶瓷樣品,詳細(xì)制備工藝參見文獻(xiàn)陶瓷試樣加工成厚1MM的樣品,經(jīng)拋光后采用CARY一5E型分光光度計(jì)VARIAN公司1進(jìn)行了透射比和反射比的測(cè)量測(cè)量光路由光源,樣品和光的接受探測(cè)裝置3部分構(gòu)成,針對(duì)不同參數(shù)的測(cè)量,方法有所區(qū)別,裝置光路原理圖如圖1所示具體測(cè)量時(shí),輻射源發(fā)出的光線經(jīng)單色儀色散后由光路匯聚為準(zhǔn)直的一束,從樣品的一側(cè)入射樣品的另一側(cè)緊靠積分球的窗口,從而使由出射的所有方向的光譜輻射通量均由積分球接受,用同樣的方法在不放置樣品的時(shí)候可以測(cè)得入射到樣品的通量,則可計(jì)算特定波長(zhǎng)下光譜透射比/利用單色儀對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行掃描,就可以得到在各個(gè)波長(zhǎng)下的光譜透射比反射比與透射比的測(cè)量裝置相同,只不過測(cè)反射比是將樣品放在積分球的另一側(cè),測(cè)量由樣品反射的光通量,與總的光通量相比得到某一波長(zhǎng)下的反射比實(shí)驗(yàn)中測(cè)量透射比和反射比時(shí)使用了分光光度計(jì)的可見光波段,即從250NM測(cè)量到1000NM,得到了可見光的波段下和關(guān)系曲線直線透過率采用U3400分光光度計(jì),它利用相對(duì)測(cè)量的原理工作,即在儀器內(nèi)部裝有一棱鏡作為標(biāo)準(zhǔn)鏡片并認(rèn)為它的穿透率為100,而被測(cè)樣品的透過率是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鏡片而言樣品的顯微組織觀察采用JSM6460LV掃描電子顯微鏡收稿日期20070910作者簡(jiǎn)介齊龍浩,男,碩士,副教授,清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系,北京100084,電話01062772508增刊L齊龍浩等凝膠鑄成型亞微米級(jí)透明氧化鋁光學(xué)性能研究447ISOURCEL1_JPLE圖L光學(xué)性能測(cè)量裝置原理圖FIG1SCHEMATICDIAGRAMOFOPTICALPROPERTIESMEASUREMENTATRANSMITTANCE,BREFLECTANCE,ANDCREALINLINETRANSMISSION2結(jié)果與討論21試樣的光全透過率選用平均晶粒尺寸為091M和152M的樣品進(jìn)行了全透比,反射比的測(cè)量,結(jié)果如圖2所示晶粒尺寸為091M的試樣圖2B在可見光區(qū)380760NM,透射比達(dá)到6575,而在紅外光區(qū)760NM,LJ可以達(dá)到80以上平均晶粒尺寸為152M的粗晶氧化鋁陶瓷的透光性能相對(duì)較差圖2A氧化鋁是各向異性的材料,存在雙光軸,當(dāng)光線穿越2個(gè)不同取向的晶粒的時(shí)候,在晶粒處就會(huì)發(fā)生雙折射和界面反射現(xiàn)象,從而導(dǎo)致光在透射方向上的損失當(dāng)晶粒尺寸小到低于入射光波長(zhǎng)的尺寸的尺度時(shí),材料對(duì)于在其內(nèi)部傳播的光來講基本成了均勻介質(zhì),光的透過性能增加本實(shí)驗(yàn)由于采用高純氧化鋁為原料,在燒結(jié)工藝上采用了低溫?zé)Y(jié)一熱等靜壓后處理技術(shù),因而獲得了致密的亞微米細(xì)晶組織圖3是樣品熱等靜壓處理前后的SEM照片可以發(fā)現(xiàn)熱等靜壓處理可大大降低材料內(nèi)部的殘留氣體細(xì)晶和高純,高致密是亞微米透明氧化鋁陶瓷透射比明顯高于普通微米級(jí)半透明氧化鋁陶瓷的主要原因22試樣的光直線透過率圖4是本實(shí)驗(yàn)制備的具有不同晶粒尺寸試樣的直麥麥WAVELENGTH/NM圖2透射比,反射比與波長(zhǎng)關(guān)系曲線FIG2RELATIONSOFTRANSMITTANCEANDREFLECTANCEWITHWAVELENGTHAGRAINSIZEL52IXMANDBGRAINSIZE09LIXM圖3熱等靜壓處理前后樣品的斷口形貌FIG3FRACTOGRAPHBEFOREAANDBAFFERHIPTREATMENT線透過率測(cè)定結(jié)果與KRELL】等實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比當(dāng)晶粒尺寸1M時(shí),試驗(yàn)結(jié)果與KRELL的直線透過數(shù)據(jù)比較一致當(dāng)晶粒尺寸1M時(shí),測(cè)量結(jié)果變化較大本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的亞微米透明氧化鋁陶瓷的直線透過率最高37,但與KRELL的試驗(yàn)結(jié)果相比還有一定的差距圖5是1260,1270,1280,1300無壓燒結(jié),再進(jìn)行1350,200MPA熱等靜壓處理后樣品的直線透過率測(cè)試結(jié)果結(jié)果表明,經(jīng)相同的熱等靜壓工藝處理后,樣品的直線透過率隨無壓燒結(jié)溫度的升高而提高圖6是樣品的SEM斷口照片可見樣品經(jīng)熱等靜壓處理后,晶粒尺寸基本相同,而造成樣品直線透過率差異的主要原因可能是無壓燒結(jié)溫度不同造成的材料密度的微觀差異,盡管這種密度差異很難用傳統(tǒng)的阿基米得密度測(cè)量方法反映出來圖4中當(dāng)晶粒尺寸1LXM時(shí)直線透過率的波動(dòng),可能也是樣品密度微觀差異造成的盡管熱等靜壓可以大幅度消除氣孔缺陷,但不448稀有金屬材料與工程第37卷能完全消除,無壓燒結(jié)溫度不同所造成的坯體密度差異,經(jīng)熱等靜壓處理后仍會(huì)存在痕跡,并對(duì)材料的光學(xué)性能造成影響圖F薔運(yùn)賽星耋GRAINSIZE/TM在2650AM,厚度為08MM的不同晶粒氧化鋁直線透過率RITOFALUMINAINDIFFERENTCRYSTALGRAINSIZESWHEN2650AMANDTHETHICKNESS08AMWAVELENGTH/NM圖5不同預(yù)燒溫度樣品的光直線透過率FIG5RITOFSAMPLESPRESINTEREDATDIFFERENTTEMPERATURES圖6不同預(yù)燒溫度試樣經(jīng)1350HIP處理后的斷口照片F(xiàn)IG6FRACTOGRAPHOFTHESAMPLESPRESINTEREDATDIFFERENTTERNPERATURESA1260,B1270,C1280,ANDDL300ANDHIPTREATEDATL3503結(jié)論制備的高純/亞微米透明氧化鋁陶瓷的透光性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法生產(chǎn)制備的大晶粒透明氧化鋁,在可見光區(qū),亞微米透明氧化鋁陶瓷透射比可以達(dá)到75而在紅外光區(qū)則可以達(dá)到80以上在本實(shí)驗(yàn)條件下其直線透過率最高可以達(dá)到37無壓燒結(jié)溫度對(duì)材料密度的影響,通過熱等靜壓處理后也不能完全消除,并最終影響亞微米透明氧化鋁陶瓷的光學(xué)性能參考文獻(xiàn)REFERENCES【L】QILONGHAO齊龍浩ETA1KEYENGINEERINGMATERIALSI程材料【J,2007,V336338111185【2】KRELLAETA1JAMCERAMSOCJ,2003,86112OPTICALPROPERTIESOFSUBMICRONPCAFABRICATEDBYGELCASTINGQILONGHAO,SHENJIAN,DUFENGLIANG,PANWEI,MIAOHEZHUOSTATEKEYLABOFNEWCERAMICSANDFINEPROCESSING,TSINGHUAUNIVERSITY,BEIJING100084ABSTRACTTRANSLUCENTPCAASAKEYELEMENTINHIGHPRESSURESODIUMVAPORLAMPSANDOTHEROPTICALINSTRUMENTSHAVEBEENUSEDALLOVERTHEWORLDHOWEVER,THELOWSTRENGTH,POORCORROSIONRESISTANCEANDOPTICALPROPERTIESOFTHEMATERIALSDONOTMEETTHEREQUIREMENTSOFHIGHSTRENGTH,TRANSPARENCEANDCORROSIONRESISTANCEFORTHEMETALHALIDELAMPSINTHISPAPER,ULTRAFINEALUMINAPOWDERSWEREUSEDASROWMATERIALANDTHETRANSPARENTALUMINAWASPREPAREDBYGELCASTINGANDSINTERING/HIPPROCESSBYTHEPROCESS,THETRANSMITTANCEOFTHEMATERIALSREACHED75ANDTHEREALINLINETRANSMISSIONMTATTAINED37INTHEVISIBLERANGETHEPRESINTERINGTEMPERATUREINFLUENCEDTHEMICROSTRUCTUREANDTHEFINALRITKEYWORDSGELCASTINGTRANSPAREN