《无机材料科学基础》课程教学资源（文献资料）透明氧化铝与烧结

透明氧化铝与烧结1959年GE公司的Coble博士研制出透明氧化铝陶瓷，也称透明多晶氧化铝(PolycrystallineAlumina，PCA)，开创了透明陶瓷研究和应用的新篇章。透明陶瓷与玻璃相比，具有高强度、高硬度、高韧性以及更好的抗表面损坏性能；与单晶相比，制备温度低、生产周期短，而且在大尺寸和结构设计上比单晶更容易实现。这些优异的性能使透明陶瓷逐渐成为研究热点，并在照明、光学、特种仪器制造、电子技术及高温技术、航空航天以及国防军事工业等领域获得日益广泛的应用。例如，利用透明氧化铝的透光性、耐腐蚀性和高温化学稳定性，可将其用作高压钠灯的核心部件一发光电弧管目前世界范围内每年有约7000万只透明氧化铝管的生产和销售。上世纪九十年代初Phillips公司又将透明氧化铝用作金卤灯的电弧管开发出了显色性好、光效高、寿命长的陶瓷金卤灯在半导体和电子工业中，利用它的抗等离子侵蚀性能，可以制备等离子体光刻、清洗用的腔体部件。透明陶瓷逐渐在照明技术、光学、特种仪器制造、电子技术及高温技术、航空航天等领域获得日益广泛的应用。透明氧化铝的制备和烧结一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。同时，晶界也破坏了陶瓷体的光学均匀性，引起光的连续散射和反射，都会严重影响光的透过率。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔（气孔率1700)℃，也可以采用热压烧结(>1400)℃。透明氧化铝的实物照片和显微结构照片见图1、图2。透明氧化铝的主晶相为α-A1203。密度3.98g/cm3以上。热膨胀系数（6.5～8.5）×10/℃。高温下具有良好耐碱金属蒸气腐蚀性

透明氧化铝与烧结 1959 年 GE 公司的 Coble 博士研制出透明氧化铝陶瓷， 也称透明多晶氧化 铝 (Polycrystalline Alumina， PCA)， 开创了透明陶瓷研究和应用的新篇章。透 明陶瓷与玻璃相比，具有高强度、高硬度、高韧性以及更好的抗表面损坏性能；与 单晶相比， 制备温度低、生产周期短， 而且在大尺寸和结构设计上比单晶更容 易实现。这些优异的性能使透明陶瓷逐渐成为研究热点，并在照明、光学、特种 仪器制造、电子技术及高温技术、航空航天以及国防军事工业等领域获得日益广 泛的应用。例如，利用透明氧化铝的透光性、耐腐蚀性和高温化学稳定性，可将 其用作高压钠灯的核心部件——发光电弧管目前世界范围内每年有约 7000 万只 透明氧化铝管的生产和销售。上世纪九十年代初 Phillips 公司又将透明氧化铝用 作金卤灯的电弧管开发出了显色性好、光效高、寿命长的陶瓷金卤灯在半导体和 电子工业中， 利用它的抗等离子侵蚀性能，可以制备等离子体光刻、清洗用的 腔体部件。 透明陶瓷逐渐在照明技术、光学、特种仪器制造、电子技术及高温 技术、航空航天等领域获得日益广泛的应用。 透明氧化铝的制备和烧结 一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者 令光产生散射，所以就不透明了。同时，晶界也破坏了陶瓷体的光学均匀性， 引起光 的连续散射和反射，都会严重影 响光的透过率。因此如果选用高纯原料，并通过工艺 手段排除气孔(气孔率1700)℃，也可以采用热压烧结(>1400)℃。透明氧化铝的实物 照片和显微结构照片见图 1、图 2。透明氧化铝的主晶相为 α-A12O3。密度 3.98g/cm3 以上。热膨胀系数(6.5～8.5)×10-6 /℃。高温下具有良好耐碱金属蒸 气腐蚀性

TransparentAluminaCeramicsShanghai InstituteomicsparenthaiInspTransparent Alumina Ceramics透光性好透光性差图1透明氧化铝1203TP262DAVLO0KX1OuE20AV1.00KX10umKYKY25001KykY25005(b)(a)图2透明氧化铝的显微结构a。透光性好b。透光性差思考题：1透明氧化铝的烧结为什么需在H2烧结或真空中烧结？2.看透明氧化铝的显微结构图片，观察烧结过程大、小晶粒的晶界特点，解释烧结过程晶界如何移动？固态晶体生长法制备氧化铝单晶透明氧化铝的另一个研究热点是在非熔融状态下将多晶氧化铝转变成蓝宝石单晶。众所周之，蓝宝石具有优良的光学、电学和力学性能，其硬度仅次于钻石。但是由于传统的高温熔融法制备氧化铝单晶的成本高，容易引起掺杂的组分不均匀，并且难于得到大尺寸的晶体。因此，人们希望通过非熔融的方法制备氧化铝单晶。固态晶体生长法制备氧化铝单晶的过程一般是先制得多晶氧

(a) (b) 思考题： 1. 透明氧化铝的烧结为什么需在 H2烧结或真空中烧结？ 2. 看透明氧化铝的显微结构图片，观察烧结过程大、小晶粒的晶界特点，解释烧结过程晶 界如何移动？ 固态晶体生长法制备氧化铝单晶 透明氧化铝的另一个研究热点是在非熔融状态下将多晶氧化铝转变成蓝宝 石单晶。 众所周之， 蓝宝石具有优良的光学、电学和力学性能， 其硬度仅次于 钻石。 但是由于传统的高温熔融法制备氧化铝单晶的成本高， 容易引起掺杂的 组分不均匀， 并且难于得到大尺寸的晶体。 因此， 人们希望通过非熔融的方法 制备氧化铝单晶。 固态晶体生长法制备氧化铝单晶的过程一般是先制得多晶氧 透光性好 透光性差 图 1 透明氧化铝 图 2 透明氧化铝的显微结构 a。 透光性好 b。 透光性差

化铝陶瓷，然后通过再加热的方法，将多晶氧化铝转变成单晶。该方法可分为两种途径：1)添加晶种，通过固态晶体转变（solid-statecrystalconversion，SSCC）得到单晶；2)通过异常晶粒长大(abnormalgraingrowth，AGG)将多晶氧化铝转变为单晶。添加晶种实现多晶氧化铝陶瓷向单晶转变的现象，最初是在陶瓷金卤灯上发现的。这种灯的电弧管是采用蓝宝石单晶直管和多晶氧化铝端帽制成的，在长时间循环加热的过程中，多晶单晶界面向多晶方向迁移，发生多晶向单晶的转变。Scott等研究将晶种与多晶氧化铝管镶接，在Hz气氛中1880℃下循环加热冷却，得到了取向与晶种一致的管状氧化铝单晶，并且已初步尝试将这方法用于制备高强度气体放电灯的电弧管。由于转变过程不容易控制，当界面发生快速迁移时，往往会留小一串缺陷。由于众多缺陷的存在使得制备的单晶透过率和多晶氧化铝相当。而且，这种转变很难进行完全，通常只有近表面很薄的区域才能转变。通常在烧结过程，异常晶粒长大（AGG)是应该尽可能避免的，否则难以制备细晶、微结构均匀的陶瓷材料。然而，在透明氧化铝的研究领域，却可以将多晶氧化铝在高温下长时间加热，诱导其发生异常晶粒长大，得到大晶粒的单晶。掺杂氧化铝的晶界迁移率要远大于未掺杂氧化铝的本征晶界迁移率，因此，一般先制备镁和其它元素共掺的致密的多晶氧化铝，为了提高晶界迁移速率，常掺Mg、Y、Ti等，另外，一些高价态元素如W、Mo也可以促进多晶氧化铝向单晶的转变。然后在H2气氛1700~1900℃下长时间烧结，或采用约1750℃下微波烧结来获得氧化铝单晶。思考题：1．加入晶种为什么可以促进氧化铝单晶的生长？2.通过异常晶粒长大（abnormalgraingrowth，AGG)如何将多晶氧化铝转变为单晶？

化铝陶瓷， 然后通过再加热的方法， 将多晶氧化铝转变成单晶。 该方法可分为 两种途径： 1)添加晶种，通过固态晶体转变 (solid-state crystal conversion，SSCC) 得到单晶；2)通过异常晶粒长大 (abnormal grain growth， AGG)将多晶氧化铝转 变为单晶。 添加晶种实现多晶氧化铝陶瓷向单晶转变的现象，最初是在陶瓷金卤灯上发 现的。这种灯的电弧管是采用蓝宝石单晶直管和多晶氧化铝端帽制成的， 在长 时间循环加热的过程中， 多晶单晶界面向多晶方向迁移， 发生多晶向单晶的转 变。 Scott 等研究将晶种与多晶氧化铝管镶接， 在 H2 气氛中 1880℃下循环加 热冷却， 得到了取向与晶种一致的管状氧化铝单晶， 并且已初步尝试将这方法 用于制备高强度气体放电灯的电弧管。 由于转变过程不容易控制， 当界面发生 快速迁移时， 往往会留下一串缺陷。 由于众多缺陷的存在使得制备的单晶透过 率和多晶氧化铝相当。 而且， 这种转变很难进行完全， 通常只有近表面很薄的 区域才能转变。 通常在烧结过程，异常晶粒长大 (AGG)是应该尽可能避免的，否则难以制 备细晶、微结构均匀的陶瓷材料。 然而， 在透明氧化铝的研究领域， 却可以将 多晶氧化铝在高温下长时间加热， 诱导其发生异常晶粒长大， 得到大晶粒的单 晶。掺杂氧化铝的晶界迁移率要远大于未掺杂氧化铝的本征晶界迁移率， 因 此， 一般先制备镁和其它元素共掺的致密的多晶氧化铝，为了提高晶界迁移速 率， 常掺 Mg、Y、Ti 等，另外， 一些高价态元素如 W、Mo 也可以促进多晶氧 化铝向单晶的转变。然后在 H2 气氛 1700~1900℃下长时间烧结，或采用约 1750℃ 下微波烧结来获得氧化铝单晶。 思考题： 1. 加入晶种为什么可以促进氧化铝单晶的生长？ 2. 通过异常晶粒长大 (abnormal grain growth， AGG)如何将多晶氧化铝转 变为单晶？