[发明专利]一种氮氧化铝透明陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮氧化铝透明陶瓷及其制备方法，具体涉及一种力学性能优异的氮氧化铝透明陶瓷，以及通过离子扩渗技术制备该氮氧化铝透明陶瓷的方法。

背景技术

1959年，Yamaguchi和Yanagida首次报道了立方尖晶石型氮氧化铝(AlON)是Al₂O₃-AlN体系中可能存在的一个重要单相，并得到后来研究的证实。它是一种透明多晶陶瓷，其强度和硬度高达380MPa和17.7GPa，仅次于单晶蓝宝石，从近紫外(0.2μm)到中红外(6.0μm)有着很好的光学透过率，因此在高温红外窗口、手机电脑屏幕、POS机透明窗口等领域有潜在的应用价值。目前，AlON的规模化生产仅限于美国。例如，Surmet公司可以生产430*760mm的大尺寸板材。其他各国的研究都处于摸索阶段，主要集中在AlON粉体的合成工艺研究方面。

反应烧结是AlON透明陶瓷的制备方法之一，这种方法工艺简单，但是Al₂O₃和AlN两种粉体在烧结性能和粒度分布等方面的差异严重影响烧结致密化。McCauley等采用反应烧结法制备出了第一块AlON半透明陶瓷。裴新美以Al₂O₃，Al粉为原料，在1750℃氮气气氛下，反应烧结制备了AlON陶瓷，但陶瓷样品是不透明的，Wang等通过反应烧结制备的AlON陶瓷也是不透明的。

AlON透明陶瓷其他的制备方法包括热压烧结和无压烧结。美国专利4241000和7459122均采用了无压烧结制得了AlON透明陶瓷，但是透过率低于80%。Zhang等采用无压烧结方法制备了抗弯强度达321MPa的AlON陶瓷，但是其透过率未见报道。

目前一些方法已可稳定制备可见透过率为80%，红外透过率接近90%的AlON光学透明陶瓷（2mm厚），其光学性能与Surmet公司的产品相当，但其力学性能特别是强度和硬度差，远低于择优取向的单晶蓝宝石，大大限制了AlON透明陶瓷的应用范围。因此，开发具有较高透过率且力学性能优异的AlON透明陶瓷显得十分重要。

发明内容

本发明旨在克服现有制备AlON光学透明陶瓷的不足，提高氮氧化铝透明陶瓷力学性能，本发明提供了一种力学性能优异的氮氧化铝透明陶瓷，以及通过离子扩渗技术制备该氮氧化铝透明陶瓷的方法。

本发明提供了一种氮氧化铝透明陶瓷，所述氮氧化铝透明陶瓷通过离子扩渗技术在氮氧化铝透明陶瓷表面渗入Mg²⁺，所述渗入Mg²⁺的渗镁层的厚度为50～600um。

较佳地，所述镁元素在渗镁层中的含量≦20wt%。

较佳地，所述氮氧化铝透明陶瓷在可见光及红外波段的直线透过率可为60～82%，优选79%～82%；抗弯强度可为200MPa～320MPa，优选250～320MPa。

本发明通过优化烧结工艺使AlON陶瓷晶粒得到细化，在此基础上通过固态热扩渗工艺，以镁的化合物为扩散源，在AlON透明陶瓷基体表面形成扩渗层，产生压应力，以提高其力学性能，获得具有高透过率且高强韧性的AlON透明陶瓷。其机理为，在热扩渗过程中，AlON透明陶瓷表面的Al³⁺与Mg²⁺发生交换，表面形成Mg²⁺交换层，由于Mg²⁺的原子半径、电负性、晶体结构及膨胀系数等不同于Al³⁺，造成晶格的翘曲变形，且在冷却过程中内外层收缩程度不一致，当冷却到常温后陶瓷便处于外层受压内层受拉的应力状态，一旦局部承受外力，便会发生应力释放，削弱外力的破坏作用。

本发明还提供一种制备所述的氮氧化铝透明陶瓷的方法，所述方法包括：以氮氧化铝透明陶瓷作为基材，以Mg的化合物作为扩渗源，将基材包裹在扩渗源中，通过离子热扩渗技术使Mg²⁺替代Al³⁺，即得到所述氮氧化铝透明陶瓷。

较佳地，所述作为基材的氮氧化铝透明陶瓷，可通过无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和/或联合法制备。

较佳地，所述基材可在包裹之前，进行表面打磨、抛光。

较佳地，所述扩渗源可为MgO、MgCO₃中的至少一种。

较佳地，所述热扩渗的温度可为200～2000℃，热扩渗时间可为1～40小时。

较佳地，所述热扩渗过程可在惰性气氛中进行。所述惰性气氛优选N₂、Ar气。