凝胶铸成型亚微米级透明氧化铝光学性能研究

凝胶铸成型亚微米级透明氧化铝光学性能研究第37卷增刊12008年1月稀有金属材料与工程RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGVO137,SUPP11JANUARY2008凝胶铸成型亚微米级透明氧化铝光学性能研究齐龙浩,沈健,杜逢亮,潘伟,苗赫濯清华大学先进陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084摘要多晶半透明氧化铝陶瓷作为高压钠灯灯管和各种窗体材料等已在实际生产中得到广泛应用但由于其强度低,耐腐蚀和透光性差无法满足新一代陶瓷金属卤素灯灯管高强度,高透明和耐腐蚀的要求以高纯超细氧化铝粉作为原料,采用凝胶铸成型,并经过低温无压烧结和热等静压后处理,制备出了高强度亚微米级透明氧化铝陶瓷,实验表明该陶瓷在可见光区的全透比可达到75,直线透过率最高可以达到37研究还发现无压预烧结温度对材料的微观缺陷以及最终的光学性能会产生重要的影响关键词凝胶铸透明氧化铝全透率直线透过率中图法分类号TG1464文献标识码A文章编号1002185X2008S144603照明用电量在终端用电中仅次于电机居第2位,我国照明耗电大体占全国总发电量的1014耗电达三峡水利发电能力8410KWHJ2倍左右金属卤化物灯具有优良的显色性,近似目光的色表和较高的发光效率,被认为是21世纪人类应用最广泛,最有前途的照明光源之一在工业照明,商业照明,体育场馆照明以及道路照明等大空间照明方面成为首选的照明光源,具有巨大的市场潜力目前市场上的金属卤素灯大都采用石英玻璃发光管,高温下金属卤化物容易与石英发生化学反应造成金属损失,发光颜色漂移,影响金卤灯的质量稳定性和使用寿命高纯,高强度,亚微米透明氧化铝陶瓷比石英玻璃有更好的化学稳定性和热稳定性,可在更高的温度下1200工作,因而成为新一代陶瓷金属卤化物灯理想的灯管材料,受到广泛的重视在前期工作【L】中采用高纯超细氧化铝粉体,通过凝胶铸成型,无压烧结,热等静压后处理工艺成功制各了高强度,透明氧化铝陶瓷,并探讨了预烧结温度和等静压后处理温度对晶粒尺寸及弯曲强度的影响本文将进一步研究该透明氧化铝陶瓷材料的透光性能以及烧结工艺对透光性能的影响1实验采用日本大明公司生产的纯度为9999的氧化铝粉凝胶铸成型采用丙烯酰胺AM为有机单体,分散剂为DARVANC美国RTVANDERBILTCO,交联剂为亚甲基双丙烯酸胺MBAM,引发剂为过硫酸铵,催化剂为四甲基乙二胺TEMED凝胶铸成型干燥后得到了5060致密度的坯体,通过排胶,无压烧结和热等静压后处理得到了透明氧化铝陶瓷样品,详细制备工艺参见文献陶瓷试样加工成厚1MM的样品,经抛光后采用CARY一5E型分光光度计VARIAN公司1进行了透射比和反射比的测量测量光路由光源,样品和光的接受探测装置3部分构成,针对不同参数的测量,方法有所区别,装置光路原理图如图1所示具体测量时,辐射源发出的光线经单色仪色散后由光路汇聚为准直的一束,从样品的一侧入射样品的另一侧紧靠积分球的窗口,从而使由出射的所有方向的光谱辐射通量均由积分球接受,用同样的方法在不放置样品的时候可以测得入射到样品的通量,则可计算特定波长下光谱透射比/利用单色仪对波长进行扫描,就可以得到在各个波长下的光谱透射比反射比与透射比的测量装置相同,只不过测反射比是将样品放在积分球的另一侧,测量由样品反射的光通量,与总的光通量相比得到某一波长下的反射比实验中测量透射比和反射比时使用了分光光度计的可见光波段,即从250NM测量到1000NM,得到了可见光的波段下和关系曲线直线透过率采用U3400分光光度计,它利用相对测量的原理工作,即在仪器内部装有一棱镜作为标准镜片并认为它的穿透率为100,而被测样品的透过率是相对标准镜片而言样品的显微组织观察采用JSM6460LV扫描电子显微镜收稿日期20070910作者简介齐龙浩,男,硕士,副教授,清华大学材料科学与工程系,北京100084,电话01062772508增刊L齐龙浩等凝胶铸成型亚微米级透明氧化铝光学性能研究447ISOURCEL1_JPLE图L光学性能测量装置原理图FIG1SCHEMATICDIAGRAMOFOPTICALPROPERTIESMEASUREMENTATRANSMITTANCE,BREFLECTANCE,ANDCREALINLINETRANSMISSION2结果与讨论21试样的光全透过率选用平均晶粒尺寸为091M和152M的样品进行了全透比,反射比的测量,结果如图2所示晶粒尺寸为091M的试样图2B在可见光区380760NM,透射比达到6575,而在红外光区760NM,LJ可以达到80以上平均晶粒尺寸为152M的粗晶氧化铝陶瓷的透光性能相对较差图2A氧化铝是各向异性的材料,存在双光轴,当光线穿越2个不同取向的晶粒的时候,在晶粒处就会发生双折射和界面反射现象,从而导致光在透射方向上的损失当晶粒尺寸小到低于入射光波长的尺寸的尺度时,材料对于在其内部传播的光来讲基本成了均匀介质,光的透过性能增加本实验由于采用高纯氧化铝为原料,在烧结工艺上采用了低温烧结一热等静压后处理技术,因而获得了致密的亚微米细晶组织图3是样品热等静压处理前后的SEM照片可以发现热等静压处理可大大降低材料内部的残留气体细晶和高纯,高致密是亚微米透明氧化铝陶瓷透射比明显高于普通微米级半透明氧化铝陶瓷的主要原因22试样的光直线透过率图4是本实验制备的具有不同晶粒尺寸试样的直麦麦WAVELENGTH/NM图2透射比,反射比与波长关系曲线FIG2RELATIONSOFTRANSMITTANCEANDREFLECTANCEWITHWAVELENGTHAGRAINSIZEL52IXMANDBGRAINSIZE09LIXM图3热等静压处理前后样品的断口形貌FIG3FRACTOGRAPHBEFOREAANDBAFFERHIPTREATMENT线透过率测定结果与KRELL】等实验结果的对比当晶粒尺寸1M时,试验结果与KRELL的直线透过数据比较一致当晶粒尺寸1M时,测量结果变化较大本实验测得的亚微米透明氧化铝陶瓷的直线透过率最高37,但与KRELL的试验结果相比还有一定的差距图5是1260,1270,1280,1300无压烧结,再进行1350,200MPA热等静压处理后样品的直线透过率测试结果结果表明,经相同的热等静压工艺处理后,样品的直线透过率随无压烧结温度的升高而提高图6是样品的SEM断口照片可见样品经热等静压处理后,晶粒尺寸基本相同,而造成样品直线透过率差异的主要原因可能是无压烧结温度不同造成的材料密度的微观差异,尽管这种密度差异很难用传统的阿基米得密度测量方法反映出来图4中当晶粒尺寸1LXM时直线透过率的波动,可能也是样品密度微观差异造成的尽管热等静压可以大幅度消除气孔缺陷,但不448稀有金属材料与工程第37卷能完全消除,无压烧结温度不同所造成的坯体密度差异,经热等静压处理后仍会存在痕迹,并对材料的光学性能造成影响图F蔷运赛星耋GRAINSIZE/TM在2650AM,厚度为08MM的不同晶粒氧化铝直线透过率RITOFALUMINAINDIFFERENTCRYSTALGRAINSIZESWHEN2650AMANDTHETHICKNESS08AMWAVELENGTH/NM图5不同预烧温度样品的光直线透过率FIG5RITOFSAMPLESPRESINTEREDATDIFFERENTTEMPERATURES图6不同预烧温度试样经1350HIP处理后的断口照片FIG6FRACTOGRAPHOFTHESAMPLESPRESINTEREDATDIFFERENTTERNPERATURESA1260,B1270,C1280,ANDDL300ANDHIPTREATEDATL3503结论制备的高纯/亚微米透明氧化铝陶瓷的透光性能优于传统方法生产制备的大晶粒透明氧化铝,在可见光区,亚微米透明氧化铝陶瓷透射比可以达到75而在红外光区则可以达到80以上在本实验条件下其直线透过率最高可以达到37无压烧结温度对材料密度的影响,通过热等静压处理后也不能完全消除,并最终影响亚微米透明氧化铝陶瓷的光学性能参考文献REFERENCES【L】QILONGHAO齐龙浩ETA1KEYENGINEERINGMATERIALSI程材料【J,2007,V336338111185【2】KRELLAETA1JAMCERAMSOCJ,2003,86112OPTICALPROPERTIESOFSUBMICRONPCAFABRICATEDBYGELCASTINGQILONGHAO,SHENJIAN,DUFENGLIANG,PANWEI,MIAOHEZHUOSTATEKEYLABOFNEWCERAMICSANDFINEPROCESSING,TSINGHUAUNIVERSITY,BEIJING100084ABSTRACTTRANSLUCENTPCAASAKEYELEMENTINHIGHPRESSURESODIUMVAPORLAMPSANDOTHEROPTICALINSTRUMENTSHAVEBEENUSEDALLOVERTHEWORLDHOWEVER,THELOWSTRENGTH,POORCORROSIONRESISTANCEANDOPTICALPROPERTIESOFTHEMATERIALSDONOTMEETTHEREQUIREMENTSOFHIGHSTRENGTH,TRANSPARENCEANDCORROSIONRESISTANCEFORTHEMETALHALIDELAMPSINTHISPAPER,ULTRAFINEALUMINAPOWDERSWEREUSEDASROWMATERIALANDTHETRANSPARENTALUMINAWASPREPAREDBYGELCASTINGANDSINTERING/HIPPROCESSBYTHEPROCESS,THETRANSMITTANCEOFTHEMATERIALSREACHED75ANDTHEREALINLINETRANSMISSIONMTATTAINED37INTHEVISIBLERANGETHEPRESINTERINGTEMPERATUREINFLUENCEDTHEMICROSTRUCTUREANDTHEFINALRITKEYWORDSGELCASTINGTRANSPAREN