[发明专利]将PCA转化为蓝宝石的方法和转化制品无效

专利信息
申请号: 200810212199.9 申请日: 2008-09-09
公开(公告)号: CN101386519A 公开(公告)日: 2009-03-18
发明(设计)人: 魏家清 申请(专利权)人: 奥斯兰姆施尔凡尼亚公司
主分类号: C04B32/00 分类号: C04B32/00
代理公司: 北京集佳知识产权代理有限公司 代理人: 蔡胜有;刘继富
地址: 美国马*** 国省代码: 美国;US
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摘要:
搜索关键词: pca 转化 蓝宝石 方法 制品
【说明书】:

背景技术

在照明工业中,多年来一直使用半透明多晶氧化铝(PCA)作为形 成高压钠灯(HPS)和陶瓷金属卤化物灯的电弧放电容器(通常也称为 电弧管)的选择材料。一直较少使用透明的蓝宝石作为电弧管材料,主 要原因是其成本较高,而且还因为它受限于规则的几何形状,例如管、 棒或片材。与可以使用诸如等静压成型、挤塑、粉浆浇铸或注塑成型的 多种不同的生产方法从氧化铝粉形成从圆柱形至接近球形的多种形状 的PCA容器不同,蓝宝石通常从熔体缓慢生长而成,这将可用于放电 容器的可用形状限制为一般管状。因为这些和其它原因,蓝宝石的使用 一直局限于需要蓝宝石的透明度以满足严格光学要求的专业灯,例如汽 车照明灯。

已经进行了一些尝试将PCA转化成蓝宝石。例如,美国专利号 5549746和5451553描述了一种在低于蓝宝石熔点的200℃下将MgO掺 杂的PCA转化成蓝宝石的固态晶体转化(SSCC)方法。此外还已经使 用Ga2O3掺杂物来增强SSCC的转化。该增强效果的原因在于Ga离子 的存在加快了Mg离子沿晶粒边界的扩散。类似地,美国专利No6475942 公开了Mo也提高转化。然而,Mo的使用易于使转化的电弧管变黑, 这对于光学应用而言是不期望的。

通过用胶体SiO2化学深加将MgO掺杂的PCA转化为蓝宝石也已 经得到证实。用SiO2进行局部补偿掺杂(counter doping)预烧制管有 助于转化,但不会对烧结至半透明物产生不利影响。补偿掺杂导致局部 引发异常晶粒生长,由此控制生长过程的开始。然而,可再现性和转化 度一直是补偿掺杂的问题。

发明内容

将PCA完全转化为单晶蓝宝石是非常难以实现的。实际上,可以 预计甚至商业生长的蓝宝石管在单个剖面内包含超过几个的非常大的 晶粒。类似地,得自转化的PCA的蓝宝石经常会由几个非常大的晶粒 构成。具体而言,足够大的PCA转化的蓝宝石部分通常会具有一个或 更多个非常大的长度为至少10mm的晶粒,其中15-50μm的小的未转 化晶粒截留在非常大的转化蓝宝石晶粒内。参见例如Scott等人的 Conversion of Polycrystalline Al2O3into Single-Crystal Sapphire by Abnormal Grain Growth,J.Am.Cer.Soc.,85[5]1275-80(2002)。尽管不 是单晶,但是PCA转化的蓝宝石适合于照明应用。由于PCA转化的蓝 宝石中的晶粒边界属于低角度稳定型,所以该PCA转化的蓝宝石没有 表现出困扰大晶粒(70~200μm)PCA的自裂。然而,优选用于照明应 用的单个PCA转化的蓝宝石部分仅由1~4个非常大的晶粒构成。

PCA转化的蓝宝石还能够表现出与商业上熔体生长的蓝宝石基本 相当的直线透过率(in-line transmittance)。例如,对蓝宝石的单壁直 线透过率为约87%。在未抛光的PCA转化的蓝宝石的情况下,从对转 化的毛细管测量估算的直线透过率是约72%。该直线透过率较低,这是 因为PCA转化的蓝宝石在转化后保持了原始PCA的表面形态。较粗糙 的表面引发散射,其降低直线透过率。然而,在抛光之后,PCA转化 的蓝宝石可以获得约81%的直线透过率。限制PCA转化的蓝宝石获得 较高直线透过率的其它因素是在PCA转化的蓝宝石中存在残余孔隙。 然而,对于照明应用,这些直线透过率水平(抛光和未抛光的)与标准 PCA的直线透过率值相比是非常有利的。具体而言,未抛光的PCA通 常具有约33%的直线透过率,抛光的PCA具有约40%的直线透过率。

本发明人已经发现,氧化硼提高MgO掺杂的PCA转化为蓝宝石的 转化率,并且尤其可用于还包含氧化钇和氧化锆添加剂的MgO掺杂的 PCA组合物。通常,后者组合物具有耐异常晶粒生长的晶粒边界。然 而,氧化硼掺杂物能够克服这些牢固的边界并引发晶粒生长,从而导致 PCA完全转化。而且,与其它已知的转化率增强剂相比,PCA中加入 氧化硼没有有害副作用,例如变灰。

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