Способ получения прозрачной алюмооксидной керамики

 

Изобретение относится к технологии прозрачного поликристаллического оксида алюминия, используемого, в частности, для изготовления трубок газоразрядных натриевых ламп высокого давления. Сущность изобретения: задача изобретения состоит в снижении усадки заготовки в обжиге, ускорении процесса обжига заготовок, снижении энергозатрат на испарение жидкостей. Поставленная задача достигается способом получения алюмооксидной прозрачной керамики из раствора алкоксида алюминия в спирте, включающем гидролиз алкоксида, удаление растворителя и всех побочных продуктов из смеси, измельчение геля, прессование заготовок и обжиг в вакууме, причем гидролиз ведут водным раствором уплотняющей добавки при мольном соотношении воды к алкоксиду от 3 до 5, порошок гидроксида алюминия до прессования заготовок переводят в порошок корунда при нагревании в окислительной атмосфере со скоростью 300 - 500^oC/ч до максимальной температуры 950 - 1150^oC и выдержке в течение 100 - 200 мин с последующим охлаждением вместе с печью. В качестве уплотняющей добавки используют смесь водорастворимых солей магния, иттрия и лантана в количестве, не превышающем в переводе на оксиды 0,2 мас.% от эквивалентного содержания оксида алюминия. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к технологии прозрачного поликристаллического оксида алюминия, используемого, в частности, для изготовления трубок газоразрядных натриевых ламп высокого давления.

Известны способы получения прозрачной корундовой керамики, использующие порошок высокочистого глинозема с добавками оксидов магния, иттрия, лантана, путем двухстадийного обжига в среде водорода или вакуума [1 4] Однако эти способы предполагают использование готового порошка глинозема с весьма малым размером частиц (не более 1 мкм) и низким содержанием примесей, получение которого само по себе является значительной проблемой. Указанные патенты не содержат способа получения порошков глинозема с требуемыми свойствами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения прозрачной алюмооксидной керамики путем гидролиза алкоксидов алюминия с получением гидроксида алюминия, сушки геля гидроксида алюминия, помола ксерогеля, формования заготовок из порошка гидроксида и обжига заготовок в вакуумной печи при максимальной температуре 1850^oC [5] Недостатками данного способа являются: очень высокая линейная усадка заготовок в обжиге 37,5% что неизбежно будет вызывать деформацию изделий сложной формы во время обжига, например трубок, и понижать выход годных изделий; большая продолжительность цикла обжига заготовок из-за очень низкой скорости нагревания (температура 1850^oC при данном способе достигается за 24 ч), что уменьшает производительность дорогостоящих вакуумных печей обжига; необходимость испарения большого количества воды, что повышает энергозатраты производства.

Задача изобретения состоит в снижении усадки заготовок в обжиге, ускорении процесса обжига заготовок, снижении энергозатрат на испарение жидкостей.

Поставленная задача достигается способом получения алюмооксидной прозрачной керамики из раствора алкоксида алюминия в спирте, включающем гидролиз алкоксида, удаление растворителя и всех побочных продуктов из смеси, измельчение геля, прессование заготовок и обжиг в вакууме, причем гидролиз ведут водным раствором уплотняющей добавки при мольном соотношении воды к алкоксиду от 3 до 5, порошок гидроксида алюминия до прессования заготовок переводят в порошок корунда при нагревании в окислительной атмосфере со скоростью 300 500^oC/ч до максимальной температуры 950 1150^oC и выдержке в течение 100 200 мин с последующим охлаждением вместе с печью. В качестве уплотняющей добавки используют смесь водорастворимых солей магния, иттрия и лантана в количестве, не превышающем в переводе на оксиды 0,2 мас. от эквивалентного содержания оксида алюминия. Отличие предлагаемого способа от известного заключается в том, что гидролиз ведут водным раствором уплотняющей добавки при мольном соотношении вода алкоксид алюминия от 3 до 5, а порошок гидроксида алюминия до прессования заготовок переводят в порошок корунда при нагревании в окислительной атмосфере со скоростью 300 500^oC/ч до максимальной температуры 950 1150^oC и выдержке в течение 100 200 мин, с последующим охлаждением вместе с печью. Указанная совокупность признаков в литературе не известна.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Готовят раствор алкоксида алюминия Al(OR)₃ в спирте с тем же углеводородным радикалом - ROH. Гидролиз алкоксида алюминия осуществляют путем приливания к указанному раствору при интенсивном перемешивании водного раствора, содержащего уплотняющие добавки соли магния, иттрия и лантана. Эквивалентное содержание Al₂O₃ в получаемой суспензии составляет около 5 мас. количество добавки солей магния, иттрия и лантана в сумме в пересчете на оксиды по отношению к Al₂O₃ не превышает 0,2 мас. мольное соотношение вода алкоксид алюминия составляет от 3 до 5. После непродолжительной выдержки образовавшегося при гидролизе Al(OR)₃ золя при перемешивании, последний переводят в ксерогель путем отгонки спирта и остатков воды. Полученный ксерогель дезагрегируют в мельнице до размера частиц не более 10 мкм и подвергают термообработке с целью перевода гидроксида алюминия в α-Al₂O₃ и выжигания органических компонентов порошка. Указанную термообработку производят в окислительной среде. Скорость нагревания порошка гидроксида должна лежать в пределах 300 500^oC/ч. Максимальная температура термообработки лежит в пределах 950 1150^oC. После ее достижения необходимо сделать выдержку в течение 100 200 мин, затем произвести охлаждение с печью. Полученный порошок не требует дезагрегации. Заготовки из данного порошка могут быть отформованы полусухим прессованием или пластическим формованием с использованием традиционных в керамической промышленности временных технологических связок (ВТС). После выжигания ВТС при температуре 1100 1200^oC на воздухе в течение 2 3 ч производят обжиг заготовок в вакуумной печи при максимальной температуре 1800^oC.

Отличие предлагаемого способа от прототипа [5] заключается в том, что гидролиз алкоксида алюминия осуществляют практически мгновенно путем сливания двух растворов при комнатной температуре, а не длительного (2 ч) барботажа паров воды и пептизатора в раствор алкоксида алюминия при 80^oC. Это упрощает необходимое технологическое оборудование и повышает его производительность. Кроме этого, в предлагаемом способе нет необходимости добавлять воду к ксерогелю, образовавшемуся после отгонки летучих компонентов гидролизата, и осуществлять дополнительное выпаривание. Это исключает энергозатраты на испарение большого количества воды. Основное преимущество предлагаемого способа перед прототипом [5] заключается в значительном снижении усадки заготовок в обжиге (17% линейной усадки вместо 37,5%), что при реализации способа в промышленных условиях означает больший выход годных изделий (из-за меньшей вероятности деформации и разрушения заготовок в обжиге) и большую производительность (из-за увеличения скорости нагревания заготовок и большей загрузки печи) дорогостоящих вакуумных печей обжига. Тогда как в прототипе [5] продолжительность цикла обжига заготовок составляет около 33 ч, в предлагаемом способе цикл обжига длится около 9 ч.

Примеры. Гидролиз втор-бутоксида алюминия проводили следующим образом. К раствору втор-бутоксида алюминия в бутаноле-2 при комнатной температуре и интенсивном перемешивании доливали водный раствор хлоридов магния, иттрия и лантана из расчета содержания оксидов в Al₂O₃ (мас.): MgO - 1,1; Y₂O₃ 0,05; La₂O₃ 0,05. Концентрации растворов были подобраны таким образом, чтобы эквивалентное содержание Al₂O₃ в суспензии составляло 5 мас. мольное соотношение вода алкоксид алюминия составляло 3. Образовавшуюся суспензию выдерживали при перемешивании в течение 10 мин. Далее проводили отгонку спирта и остатков воды при температуре 105^oC. Образовавшийся ксерогель гидроксида алюминия подвергали сухому помолу в планетарной мельнице корундовыми шарами в тефлоновых барабанах в течение 5 мин при соотношении шары материал 5 1. После этого полученный порошок, помещенный в корундовый тигель, подвергали термообработке в печи в среде воздуха. Скорость нагревания составляла 400^oC/ч. После достижения максимальной температуры 1080^oC следовала выдержка при ней в течение 120 мин, после чего порошок охлаждали с печью. Из полученного порошка с использованием в качестве ВТС водного раствора поливинилового спирта с концентрацией 5 мас. в количестве 1 мас. в пересчете на сухое вещество были отформованы методом полусухого прессования при давлении 100 МПа образцы в виде дисков толщиной 1 мм. Выжигание ВТС из образцов проводили на воздухе при 1100^oC в течение 3 ч. После этого образцы обжигали в вакуумной печи сопротивления по режиму: линейный нагрев до 1250^oC за 100 мин, линейный нагрев до 1400^oC за 80 мин, линейный нагрев до 1800^oC за 8 мин, выдержка при 1800^oC в течение 3 ч, охлаждение со скоростью не выше 80^oC/мин. Прозрачность обожженных полированных дисков толщиной 0,5 мм оценивали по величине прямого светопропускания, полученной на спектрофотометре Specord M400 при длине волны 660 нм. Результаты описанного и других экспериментов, в которых варьировались некоторые технологические параметры, представлены в таблице.

Формула изобретения

1. Способ получения прозрачной алюмооксидной керамики из раствора алкоксида алюминия в спирте, включающий гидролиз алкоксида, удаление растворителя и всех побочных продуктов из смеси, измельчение геля, прессование заготовок и обжиг в вакууме, отличающийся тем, что гидролиз ведут водным раствором уплотняющей добавки при мольном соотношении вода алкоксид алюминия от 3 до 5, порошок гидроксида алюминия до прессования заготовок переводят в порошок корунда при нагревании в окислительной атмосфере со скоростью 300 - 500 град. /ч до максимальной температуры 950 1150^oС и выдержке в течение 100 200 мин с последующим охлаждением вместе с печью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве уплотняющей добавки используют смесь водорастворимых солей магния, иттрия и лантана в количестве, не превышающем в переводе на оксиды 0,2 мас. от эквивалентного содержания оксида алюминия.

РИСУНКИ

Рисунок 1