一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体及其制备方法与流程

本发明属于陶瓷材料合成制备技术领域，具体涉及一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体及其制备方法。

背景技术：

镁铝尖晶石透明陶瓷材料具有熔点高、耐磨损、耐腐蚀、优异的电绝缘性能，并且其透光范围宽，涵盖了近紫外到中红外光区域，但与蓝宝石、alon等材料相比机械性能较低，限制了其应用领域；而镁铝尖晶石作为一种固溶体，其性能随化学计量发生变化，这为技术上通过改变组成来调控材料性能提供了依据。当氧化铝固溶进入尖晶石晶格时晶格常数减小，可以提高其力学性能，这使得镁铝尖晶石透明陶瓷可望满足不同应用领域对性能的要求，如在军事上作为红外窗口材料和透明装甲，民用方面则用于高压灯管、光热交换器等。

目前关于镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方面，主要有两种方法，一是反应烧结法，也称为一步法，通常是以氧化铝粉末和氧化镁粉末为原料，经混合后通过反应烧结直接获得镁铝尖晶石透明陶瓷。二是两步法，首先通过以氧化铝粉末和氧化镁粉末为原料合成单相的镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，随后通过烧结得到透明陶瓷。两种方法比较而言，反应烧结法较为便利，但是该方法中的烧结和反应过程难以控制，容易产生第二相、体积膨胀等问题，难于制备出高质量的镁铝尖晶石透明陶瓷。而两步法不存在这些问题，且对于制备形状复杂的高质量镁铝尖晶石透明陶瓷更为有利，但关键问题是需制备出高性能的镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

dericioglu等人(derciogluaf,boccacciniar,dlouhyi,kagaway.effectofchemicalcompositionontheopticalpropertiesandfracturetoughnessoftransparentmagnesiumaluminatespinelceramics[j].materialstransactions,2005,46(3):996-1003.)通过热压结合热等静压烧结方法，制备了n值分别为1、1.5、2的mgo·nal2o3透明陶瓷。通过研究发现，当n值为1时，所制备的镁铝尖晶石对光的散射系数最大。而当n值升高时，其透光率也随之上升。并且当n值为2时，其断裂韧性最高，达到2.02mpa·m^1/2。此外袁泽等人(mgo·1.5al2o3透明陶瓷的无压/热等静压烧结制备[j].无机材料学报，2015，30(08)：843-847.)以高纯的mgo粉末和α-al2o3的粉末作为原料，经过高温固相反应，在1550℃下合成了高纯度、平均粒径小的mgo·1.5al2o3透明陶瓷粉体，随后在1650℃下无压烧结结合在1800℃下热等静压烧结，制备出了维氏硬度为12.75gpa，可见波段的透过率为70％的透明陶瓷。张和等人(hezhang,haowang,hongganggu,xiaozong,bingtiantu,pengyuxu,etal.reparationofmgo·1.8al2o3spineltransparentceramicsbyaqueousgelcasting,presinteringandhotisostaticpressing[j].journaloftheeuropeanceramicsociety,2018,46(03):100-102.)以mgo粉末和α-al2o3的粉末为原料，在1680℃利用固相反应合成了单相的mgo·1.8al2o3透明陶瓷粉体，研究发现，该粉体由于表面存在强极性羟基，在水中易以氢键形式结合水分子形成水化膜，导致粉体在水中易团聚和沉降，通过使用硬脂酸和表面活性剂tween80对粉体改性从而解决了粉体在水中分散问题，最终采用凝胶注膜的成型方式以及无压预烧和热等静压的烧结方式，成功制得了尺寸为18×14×11mm、可见光波段透过率为80％的mgo·1.8al2o3透明陶瓷。郭胜强等人(郭胜强，王皓，涂兵田，王斌，徐鹏宇，王为民，傅正义.细晶mgo·1.44al2o3透明陶瓷的制备及其性能研究[j].无机材料学报，2019，34(10)：1067-1071.)以高纯度商业mgo(99.99wt％)和α-al2o3(99.99wt％)为原料，经过1680℃固相反应得到了高纯、细小的mgo·1.44al2o3透明陶瓷粉体，随后利用放电等离子烧结进行成型和预致密化、然后无压烧结达到烧结末期、最终在180mpa下1500℃热等静压5h，制备出了细晶的mgo·1.44al2o3透明陶瓷，其平均晶粒为1.9μm，维氏硬度为13.94gpa，可见波段的透过率为70％。

目前对于镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的制备方法主要有高温固相法、共沉淀法、溶胶凝胶法等，但其mgo·nal2o3透明陶瓷粉体的n值范围均在1～2，而在n>2的区域尖晶石透明陶瓷粉末研究较少。为了进一步通过调控组成来改善镁铝尖晶石透明陶瓷的性能，需要增大镁铝尖晶石的透明陶瓷的固溶范围，所以制备出高n值的mgo·nal2o3透明陶瓷粉体是尤为有意义的，且制备出高质量的镁铝尖晶石透明陶瓷粉体是后续制备高性能的镁铝尖晶石透明陶瓷的基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体及其制备方法，该镁铝尖晶石透明陶瓷粉体铝含量高，粉体颗粒均匀细小、分散性好，制备速度快、产量大、节能。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

提供一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，该透明陶瓷粉体分子式为mgo·nal2o3，其中2.33≤n≤3.22，n为al2o3与mgo的摩尔比。

按上述方案，所述透明陶瓷粉体平均粒径为200nm～1μm。

提供一种上述高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的制备方法，具体包括如下步骤：

1)以mgo粉末和α-al2o3粉末为原料，按比例混合后球磨，干燥，过筛得混合粉末；

2)将步骤1)得到的混合粉末置于石墨模具中，再将石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流反应合成装置内充有气体压力不大于0.05mpa的惰性气体；对石墨模具直接施加大电流12～15ka，以100～500℃/min的升温速率加热到1700～1900℃，保温5～30min，以30～40℃/min速率冷却后，即得块状粗品；

3)将步骤2)所得块状粗品破碎后过筛，然后进行两次球磨，先干磨再湿磨，湿磨结束后干燥过筛即得高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

按上述方案，所述步骤1)中，α-al2o3粉末平均粒径在200nm以下；mgo粉末平均粒径在300nm以下。

按上述方案，所述步骤1)中，将mgo粉末和α-al2o3粉末加入无水乙醇和氧化铝球后进行球磨，球磨时间不少于24h，得到浆料，在50℃～70℃下干燥10～15h后过100目筛，得混合粉末。

按上述方案，所述无水乙醇体积与原料的体积质量比为400～500ml:180g，所述氧化铝球与原料质量比为4～5:1。

按上述方案，所述步骤2)中，惰性气体为氮气或氩气。

按上述方案，所述步骤3)中，将步骤2)得到的块状粗品破碎后过50目筛；加入氧化铝球进行干磨球磨，球磨时间不少于24h，然后加入无水乙醇进行湿磨球磨，球磨时间不少于48h；球磨结束后干燥然后过200目筛，即得高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

按上述方案，所述氧化铝球与块状粗品质量比为5～6:1；所述无水乙醇与块状粗品体积质量比为300～500ml:180g。

按上述方案，所述干燥条件为：在50℃～70℃下干燥10～15h。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于α-al2o3和mgo二相的高温固相反应，在大电流作用下，对原料粉体表面进行了净化和活化，同时配合高的升温速率和温度，使原料粉体发生迅速的固相反应，极大的提高了反应的转化率；且合成过程中快速的升温和降温速率以及短的反应时间，大大的抑制了产物的晶粒生长，能够合成出常规方法难以得到的、成分控制精准的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉，粉体颗粒均匀细小，工艺简单，制备速度快，1h左右即可完成制备，效率高，能耗低，产量大。

2、本发明提供的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体中，al2o3与mgo的摩尔比为2.33～3.22，铝含量高，粉体颗粒均匀细小，平均粒径可在1μm以下，分散性好、纯度高，适用于制备高性能透明陶瓷。

附图说明：

图1为本发明实施例1、5和7制备得到的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的xrd谱图。

图2为本发明实施例1制备得到的镁铝尖晶石透明陶瓷粉体sem照片。

图3为本发明实施例5制备得到的镁铝尖晶石透明陶瓷粉体sem照片。

图4为本发明实施例7制备得到的镁铝尖晶石透明陶瓷粉体sem照片。

具体实施方式

以下实施例是为了进一步阐明本发明的工艺过程特征，而并非限制本发明。

以下实施例中使用的α-al2o3粉末平均粒径为100nm左右；mgo粉末平均粒径为180nm左右。

实施例1

一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，分子式为mgo·2.33al2o3，制备方法如下：

1)首先按分子式中比例称量α-al2o3粉末153.924g和mgo粉末26.102g，加入720g氧化铝球和500ml无水乙醇球磨24h，得料浆；将料浆取出在真空条件下50℃干燥12h后过100目筛，得混合粉料；

2)将步骤1)所得混合粉料装入石墨模具中，石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流合成装置中充入0.05mpa的高纯氮气作为保护气，对石墨模具直接施加15ka大电流，合成温度为1700℃，升温速率500℃/min，保温15min，以40℃/min速率降温后得到块状粗品；

3)将步骤2)所得的块状粗品用玛瑙研体破碎后过50目筛；将过筛的粉体加入850g氧化铝球进行干磨24h后，再加入400ml的无水乙醇进行湿磨48h，得料浆；将料浆取出在真空条件下50℃干燥12h后过200目筛，得高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

实施例1制备得到的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的xrd见图1，图中显示：所得到的粉体成分为单相mgo·2.33al2o3。

图2为高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的sem，图中显示：粉体颗粒平均粒径为200nm～1μm，均匀细小，分散性好。

实施例2

一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，分子式为mgo·2.33al2o3，制备方法如下：

1)首先按分子式中比例称量α-al2o3粉末153.924g和mgo粉末26.102g，加入720g氧化铝球和500ml无水乙醇球磨24h，得料浆；将料浆取出在真空条件下70℃干燥12h后过100目筛，得混合粉料；

2)将步骤1)所得混合粉料装入石墨模具中，石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流合成装置中充入0.05mpa的高纯氮气作为保护气，对石墨模具直接施加13ka大电流，合成温度为1800℃，升温速率200℃/min，保温5min，以35℃/min速率降温后得到块状粗品；

3)将步骤2)所得的块状粗品用玛瑙研体破碎后过50目筛；将过筛的粉体加入960g氧化铝球进行干磨48h后，再加入400ml的无水乙醇进行湿磨72h，得料浆；将料浆取出在真空条件下70℃干燥12h后过200目筛，得分子式为mgo·2.33al2o3的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

实施例3

一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，分子式为mgo·2.71al2o3，制备方法如下：

1)首先按分子式中比例称量α-al2o3粉末157.118g和mgo粉末22.905g，加入720g氧化铝球和500ml无水乙醇球磨24h，得料浆；将料浆取出在真空条件下50℃干燥后过100目筛，得混合粉料；

2)将步骤1)所得的混合粉料装入石墨模具中，石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流合成装置中充入0.05mpa的高纯氮气作为保护气，对石墨模具直接施加14ka大电流，合成温度为1750℃，升温速率400℃/min，保温20min，以32℃/min速率降温后得到块状粗品；

3)将步骤2)所得的块状粗品用玛瑙研体破碎后过50目筛；将过筛的粉体加入960g氧化铝球进行干磨48h后，再加入300ml的无水乙醇进行湿磨72h，得料浆；将料浆取出在真空条件下50℃干燥后过200目筛，得mgo·2.71al2o3的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

实施例4

一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，分子式为mgo·2.71al2o3，制备方法如下：

1)首先按分子式中比例称量α-al2o3粉末157.118g和mgo粉末22.905g，加入720g氧化铝球和500ml无水乙醇球磨24h，得料浆；将料浆取出在真空条件下70℃干燥后过100目筛，得混合粉料；

2)将步骤1)所得混合粉料装入石墨模具中，石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流合成装置中充入0.05mpa的高纯氮气作为保护气，对石墨模具直接施加12ka大电流，合成温度为1825℃，升温速率150℃/min，保温10min，以36℃/min速率降温后得到块状粗品；

3)将步骤2)所得的块状粗品用玛瑙研体破碎后过50目筛；将过筛的粉体加入960g氧化铝球进行干磨48h后，再加入300ml的无水乙醇进行湿磨72h，得料浆；将料浆取出在真空条件下70℃干燥后过200目筛，得分子式为mgo·2.71al2o3的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

实施例5

一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，分子式为mgo·2.95al2o3，制备方法如下：

1)首先按分子式中比例称量α-al2o3粉末158.722g和mgo粉末21.299g，加入720g氧化铝球和500ml无水乙醇球磨24h，得料浆；将料浆取出在真空条件下50℃干燥后过100目筛，得混合粉料；

2)将步骤1)所得混合粉料装入石墨模具中，石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流合成装置中充入0.05mpa的高纯氮气作为保护气，对石墨模具直接施加13ka大电流，合成温度为1780℃，升温速率175℃/min，保温25min，以34℃/min速率降温后得到块状粗品；

3)将步骤2)所得的块状粗品用玛瑙研体破碎后过50目筛；将过筛的粉体加入960g氧化铝球进行干磨48h后，再加入300ml的无水乙醇进行湿磨72h，得料浆；将料浆取出在真空条件下50℃干燥后过200目筛，得高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

实施例1制备得到的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的xrd见图1，图中显示：所得到的粉体成分为单相mgo·2.95al2o3。

图3为高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的sem，图中显示：粉体颗粒均匀细小，平均粒径为200nm～1μm，分散性好。

实施例6

一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，分子式为mgo·2.95al2o3，制备方法如下：

1)首先按分子式中比例称量α-al2o3粉末158.722g和mgo粉末21.299g，加入720g氧化铝球和500ml无水乙醇球磨24h，得料浆；将料浆取出在真空条件下70℃干燥后过100目筛，得混合粉料；

2)将步骤1)所得混合粉料装入石墨模具中，石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流合成装置中充入0.05mpa的高纯氮气作为保护气，对石墨模具直接施加14ka大电流，合成温度为1850℃，升温速率250℃/min，保温10min，以38℃/min速率降温后得到块状粗品；

3)将步骤2)所得的块状粗品用玛瑙研体破碎后过50目筛；将过筛的粉体加入960g氧化铝球进行干磨48h后，再加入300ml的无水乙醇进行湿磨72h，得料浆；将料浆取出在真空条件下70℃干燥后过200目筛，得分子式为mgo·2.95al2o3的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

实施例7

一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，分子式为mgo·3.22al2o3，制备方法如下：

1)首先按分子式中比例称量α-al2o3粉末160.331g和mgo粉末19.689g，加入720g氧化铝球和500ml无水乙醇球磨24h，得料浆；将料浆取出在真空条件下50℃干燥后过100目筛，得混合粉料；

2)将步骤1)所得混合粉料装入石墨模具中，石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流合成装置中充入0.05mpa的高纯氮气作为保护气，对石墨模具直接施加13ka大电流，合成温度为1800℃，升温速率150℃/min，保温25min，以35℃/min速率降温后得到块状粗品；

3)将步骤2)所得的块状粗品用玛瑙研体破碎后过50目筛；将过筛的粉体加入960g氧化铝球进行干磨48h后，再加入300ml的无水乙醇进行湿磨72h，得料浆；将料浆取出在真空条件下50℃干燥后过200目筛，得高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

实施例1制备得到的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的xrd见图1，图中显示：所得到的粉体成分为单相mgo·3.22al2o3。

图4为高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体的sem，图中显示：粉体颗粒均匀细小，平均粒径为200nm～1μm，分散性好。

实施例8

一种高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体，分子式为mgo·3.22al2o3，制备方法如下：

1)首先按分子式中比例称量α-al2o3粉末160.331g和mgo粉末19.689g，加入720g氧化铝球和500ml无水乙醇球磨24h，得料浆；将料浆取出在真空条件下70℃干燥后过100目筛，得混合粉料；

2)将步骤1)所得混合粉料装入石墨模具中，石墨模具放置在大电流反应合成装置中，大电流合成装置中充入0.05mpa的高纯氮气作为保护气，对石墨模具直接施加14ka大电流，合成温度为1900℃，升温速率300℃/min，保温10min，以40℃/min速率降温后得到块状粗品；

3)将步骤2)所得的块状粗品用玛瑙研体破碎后过50目筛；将过筛的粉体加入960g氧化铝球进行干磨48h后，再加入300ml的无水乙醇进行湿磨72h，得料浆；将料浆取出在真空条件下70℃干燥后过200目筛，得分子式为mgo·3.22al2o3的高铝含量镁铝尖晶石透明陶瓷粉体。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。