燒結(jié)工藝對(duì)透明氧化鋁陶瓷性能的影響

黃國(guó)威, 李 婷, 孫 立, 狄正賢, 樊恒中

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050; 2. 中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

自上世紀(jì)60年代初美國(guó)GE公司成功研發(fā)第一塊透明氧化鋁陶瓷以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的快速發(fā)展，先后出現(xiàn)了Al2O3[1]、YAG[2]、MgAl2O4[3]、AlON[4]、AlN[5]等幾十種透明陶瓷材料體系，且多個(gè)體系已在照明、光學(xué)儀器、無(wú)線電子及軍事工業(yè)等領(lǐng)域的特殊元器件和窗口材料中獲得廣泛應(yīng)用.透明陶瓷具有高透光、耐腐蝕、耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)良的介電性、低電導(dǎo)率和高熱導(dǎo)性等其他透明材料不可比擬的綜合性能[6-7].裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)透明陶瓷材料提出了更高的要求，在保證良好透光性的同時(shí)，仍需具有更高的致密度和強(qiáng)度以滿足強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)腐蝕、超高溫等極端環(huán)境服役要求.

目前，研究人員主要通過(guò)初始原料、成型工藝和燒結(jié)技術(shù)[8-10]3方面改善其光學(xué)性能和提升機(jī)械性能.其中，燒結(jié)技術(shù)是制備高性能陶瓷材料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，恰當(dāng)?shù)臒Y(jié)方法和工藝參數(shù)可有效促進(jìn)原子擴(kuò)散和消除孔隙，提高材料的相對(duì)密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)陶瓷材料光學(xué)性能與力學(xué)性能的同步提升.現(xiàn)有的燒結(jié)技術(shù)主要有無(wú)壓燒結(jié)和有壓燒結(jié)兩大類，具體包括真空無(wú)壓燒結(jié)[11-12]、熱壓/無(wú)壓結(jié)合氣氛燒結(jié)(HP)[13]、熱等靜壓燒結(jié)(HIP)[14]、放電等離子燒結(jié)(SPS)[15]等.Yoshimura等[16]系統(tǒng)地研究了1 850 ℃無(wú)壓氫氣氣氛、不同保溫時(shí)間(1～8 h)對(duì)氧化鋁透明陶瓷透過(guò)率的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，延長(zhǎng)保溫時(shí)間可有效排除氣孔并獲得較高的直線透過(guò)率.Kim等[17]采用SPS對(duì)0.15 μm氧化鋁粉體的燒結(jié)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)溫度的升高，致密化提高且晶粒長(zhǎng)大，透過(guò)率隨著致密化程度提高而增大，而隨著晶粒尺寸的增大而降低.Krell等[18]采用HIP燒結(jié)和氬氣保護(hù)的方法獲得了晶粒尺寸0.4～0.6 μm的高強(qiáng)透明氧化鋁納米晶陶瓷(三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度可達(dá)750～900 MPa)，該陶瓷在650 nm處的透過(guò)率為60%(厚度0.8 mm)，并歸納了晶粒尺寸與透過(guò)率之間的內(nèi)在關(guān)系.與其他燒結(jié)方法相比，熱壓燒結(jié)可大幅提升材料的致密度，進(jìn)而提高透明陶瓷的透過(guò)率和強(qiáng)度，但對(duì)于復(fù)雜形狀的透明陶瓷結(jié)構(gòu)件燒結(jié)具有一定的局限性.而無(wú)壓燒結(jié)雖解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的燒結(jié)問(wèn)題[19]，但制備的氧化鋁陶瓷透光性較低(低于30%，波長(zhǎng)600 nm，厚度1 mm)，且晶粒尺寸較大(>30 μm)導(dǎo)致其力學(xué)性能顯著降低(320 MPa)[20-21].

2000年，Chen等[22]基于無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)首次提出了兩步燒結(jié)法：先將坯體加熱至較高的溫度T1，然后降溫至T2并保溫一定時(shí)間(10～40 h)直至坯體完全致密.該方法利用晶界擴(kuò)散和晶界遷移激活能的差別，成功避免了傳統(tǒng)一步燒結(jié)法后期造成的晶粒迅速長(zhǎng)大現(xiàn)象.近期，該團(tuán)隊(duì)利用兩步燒結(jié)法，得到致密度98.8%、晶粒尺寸為34 nm的氧化鋁納米晶陶瓷[23].因此，采用兩步燒結(jié)法可獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常升溫程序的晶粒尺寸，進(jìn)而有效提高陶瓷的力學(xué)性能，該方法為解決傳統(tǒng)無(wú)壓燒結(jié)制備透明陶瓷易造成晶粒尺寸大以及致密性差等問(wèn)題提供了新的研究思路.目前，兩步燒結(jié)法在透明陶瓷制備領(lǐng)域鮮見(jiàn)報(bào)道，因此，深入探究?jī)刹綗Y(jié)過(guò)程中燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)氧化鋁陶瓷晶粒尺寸、致密度、光學(xué)性能與力學(xué)性能的影響規(guī)律具有重要的研究意義.

基于以上研究背景，采用注凝成型和真空無(wú)壓燒結(jié)，同時(shí)改進(jìn)兩步燒結(jié)法，探索不同燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)氧化鋁陶瓷晶粒尺寸、致密度、光學(xué)性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并進(jìn)一步揭示致密度、晶粒尺寸與光學(xué)性能、力學(xué)性能之間的內(nèi)在關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用粒徑D50為0.4 μm的高純氧化鋁CR6粉體(純度≥99.99%，Baikowski，F(xiàn)rance)為初始原料，加入500 ppm的MgO(純度≥99.99%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)作為燒結(jié)助劑.Isobam104(平均分子量為55 000～6 5000，Kuraray,Osaka,Japan)作為膠黏劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%.Isobam600AF(平均分子量為5 500～6 500，Kuraray,Osaka,Japan)作為分散劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%.

1.2 陶瓷樣品制備

首先，將Isobam加入去離子水中攪動(dòng)至完全溶解，后續(xù)攪拌過(guò)程中緩慢加入氧化鋁粉體，使氧化鋁漿料的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到45%，進(jìn)一步加入氧化鎂并混合均勻.其次，采用星型球磨機(jī)在轉(zhuǎn)速為300 r/min條件下球磨漿料3 h.接著，將球磨后的漿料進(jìn)行真空脫氣，澆注到模具(φ29 mm)中，并在25 ℃、相對(duì)濕度為85%的恒溫恒濕環(huán)境中固化3 d.隨后，將凝膠體室溫干燥并脫模，脫模后的坯體在馬弗爐中1 000 ℃保溫2 h排膠.最后，將排膠成型后的預(yù)燒體進(jìn)行真空無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度順序?yàn)門1→T2→T1,具體工藝參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 真空無(wú)壓燒結(jié)工藝Tab.1 Vacuum pressureless sintering process

1.3 分析和測(cè)試

通過(guò)阿基米德排水法測(cè)試燒結(jié)后樣品的密度，依據(jù)理論密度換算可得到燒結(jié)陶瓷的相對(duì)密度；采用三點(diǎn)彎曲方法(AGS-X-20KN，Shimadzu，Japan)測(cè)試燒結(jié)后樣品的抗彎強(qiáng)度，試樣尺寸為3mm×4 mm×36 mm，每組試樣測(cè)試5～8次，取平均值；采用掃描電子顯微鏡(JSM-5600LV，JEOL，Japan)觀察燒結(jié)陶瓷的斷口形貌.將拋光后的透明陶瓷經(jīng)1 700 ℃熱腐蝕2 h，并用金相顯微鏡(10XB-PC，SHOIF，China)觀察其表面形貌，通過(guò)image軟件統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸，每個(gè)樣品至少統(tǒng)計(jì)1 500個(gè).采用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)(V-770，JASCO，Tokyo，Japan)測(cè)量厚度為0.8 mm的雙面拋光后樣品的直線透過(guò)率.

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度的影響

在陶瓷材料的制備過(guò)程中，燒結(jié)的目的是在控制晶粒長(zhǎng)大的同時(shí)使坯體盡可能達(dá)到較高的相對(duì)密度，而燒結(jié)溫度是影響陶瓷性能最直接的因素.

為研究燒結(jié)溫度的影響，在T1溫度相同的前提下，通過(guò)改變T2溫度進(jìn)行致密化研究.首先快速升溫達(dá)到T1溫度，使坯體達(dá)到臨界密度以上.緊接著在較低的溫度T2保溫，由于晶界擴(kuò)散激活能低于晶界遷移激活能，致密化主要通過(guò)晶界擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)，此時(shí)氣孔通過(guò)晶界擴(kuò)散逐漸收縮，并使坯體逐漸完成致密化.而晶粒長(zhǎng)大主要通過(guò)晶界遷移發(fā)生，由于保溫過(guò)程晶界遷移未被激活，從而沒(méi)有晶粒長(zhǎng)大發(fā)生.但要使燒結(jié)陶瓷達(dá)到透明，其氣孔率必須低于0.1%，因此需二次升溫至T1溫度并保溫，以進(jìn)一步排除殘余氣孔，該過(guò)程不可避免地促使了晶粒長(zhǎng)大.

2.1.1燒結(jié)溫度對(duì)透明氧化鋁陶瓷晶粒尺寸的影響原料粉體顆粒尺寸的大小對(duì)陶瓷致密化具有重要影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，粒徑為0.4 μm的氧化鋁顆粒發(fā)生較快致密化的溫度約為1 300～1 500 ℃，因此選擇T2分別為1 300、1 400、1 500 ℃以考察其對(duì)最終燒結(jié)陶瓷透過(guò)率和晶粒尺寸的影響.

圖1為燒結(jié)工藝A，T2溫度分別為1 300、1 400、1 500 ℃燒結(jié)陶瓷經(jīng)拋光、熱腐蝕后的晶粒尺寸.圖1a～c分別為圖中a′～c′統(tǒng)計(jì)1 500個(gè)晶粒并采用高斯函數(shù)擬合的直方圖.由圖可知，燒結(jié)后陶瓷的相對(duì)密度分別為99.58%、99.86%和99.67%.在T2保溫時(shí)間相同的情況下，隨著燒結(jié)溫度的升高，陶瓷晶粒尺寸先減小后增大，相對(duì)密度先增大后減小.在T2階段，致密化主要通過(guò)晶界擴(kuò)散完成，由于1 300 ℃的晶界擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較低，保溫后殘留孔隙較高，致使最終燒結(jié)陶瓷相對(duì)密度較低.而1 500 ℃對(duì)應(yīng)較高的晶界擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)較快使得一些孔隙包裹在坯體內(nèi)無(wú)法通過(guò)擴(kuò)散和遷移及時(shí)排出，使得燒結(jié)后陶瓷的相對(duì)密度較1 400 ℃時(shí)低，晶粒尺寸也有所增長(zhǎng)[24].因此，原始粉體顆粒尺寸為0.4 μm的氧化鋁粉體最佳致密化溫度為1 400 ℃.Li等[25]研究了粒徑為10 nm的α-Al2O3在1 200～1 450 ℃的致密化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)坯體的致密化速率隨著溫度的升高也表現(xiàn)出先增加后降低的規(guī)律，在溫度1 350 ℃時(shí)達(dá)到最快.可見(jiàn)，坯體的致密化過(guò)程是非線性的，且具有一個(gè)最高致密化速率溫度點(diǎn).

圖1 燒結(jié)工藝A，T2溫度(1 300、1 400、1 500 ℃)保溫3 h陶瓷拋光后的腐蝕形貌和晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)Fig.1 Corrosion morphology and grain size distribution of ceramics at T2 (1 300、1 400、1 500 ℃) for 3 h in condition of sintering process A

圖2為燒結(jié)工藝A，T2溫度分別為1 300、1 400、1 500 ℃保溫3 h的陶瓷斷口形貌.可以看出，斷口主要為沿晶斷裂，有少量穿晶斷裂，斷裂面有輻射狀線條，是典型的脆性斷裂.氣孔主要分布在晶粒的交界處，為3個(gè)晶粒交界處的橢球體氣孔或者多個(gè)晶粒交界處的近球形多面體氣孔.主要原因是在燒結(jié)的最初較短時(shí)間內(nèi)，坯體快速致密化使得大量孔隙包裹在坯體內(nèi)無(wú)法通過(guò)擴(kuò)散和遷移排出，這也是兩步燒結(jié)法后期需要長(zhǎng)時(shí)間保溫以排除氣孔的原因.

圖2 燒結(jié)工藝A，T2溫度(1 300、1 400、1 500 ℃)保溫3 h陶瓷的斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of ceramics at T2 (1 300、1 400、1 500 ℃) for 3 h in condition of sintering process A

2.1.2燒結(jié)溫度對(duì)透明氧化鋁陶瓷強(qiáng)度的影響

圖3為燒結(jié)工藝A，T2溫度為1 300、1 400、1 500 ℃保溫3 h陶瓷的抗彎強(qiáng)度，分別為(312±3.75)、(348±7.15)、(332±8.15) MPa.可見(jiàn)，隨著T2溫度的升高，樣品的抗彎強(qiáng)度先增大后減小，主要是細(xì)化晶粒尺寸有助于提高樣品的抗彎強(qiáng)度，符合陶瓷強(qiáng)度的Hall-Petch關(guān)系[26].

圖3 燒結(jié)工藝A，T2溫度(1 300、1 400、1 500 ℃)保溫3 h陶瓷的抗彎強(qiáng)度Fig.3 Flexural strength of ceramics at T2 (1 300、1 400、1 500 ℃) for 3 h in condition of sintering process A

2.1.3燒結(jié)溫度對(duì)透明氧化鋁陶透過(guò)率的影響

圖4為燒結(jié)工藝A，T2溫度1 300、1 400、1 500 ℃保溫3 h陶瓷圓片在200～800 nm可見(jiàn)光的范圍內(nèi)的直線透過(guò)率.由圖可知，透明氧化鋁陶瓷片在可見(jiàn)光650 nm處的透過(guò)率分別為19.2%、24.4%和21.8%(雙面拋光，厚度為0.8 mm).表明氧化鋁陶瓷的透過(guò)率隨著T2溫度的升高先增大后減小，在1 400 ℃的透過(guò)率最高，這是由陶瓷的相對(duì)密度較高決定的.

圖4 燒結(jié)工藝A，T2溫度(1 300、1 400、1 500 ℃)保溫3 h陶瓷片的直線透過(guò)率(雙面拋光，厚度為0.8 mm)Fig.4 In-line transmittance of ceramics at T2(1 300、1 400、1 500 ℃) for 3 h (both sides polished,thickness:0.8 mm) in condition of sintering process A

因此，在保溫時(shí)間相同的情況下，隨著T2溫度的升高，晶粒尺寸先減小后增大，晶粒尺寸減小提高了材料的抗彎強(qiáng)度.同時(shí)，陶瓷相對(duì)密度的提高也顯著增加了氧化鋁陶瓷的透過(guò)率.

2.2 保溫時(shí)間的影響

燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力是總表面能的降低，其一是表面張力的降低，即致密化過(guò)程中界面的轉(zhuǎn)變；其二是總表面積的降低，即晶粒長(zhǎng)大導(dǎo)致的體積內(nèi)總界面數(shù)的減小.毫無(wú)疑問(wèn)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間是促進(jìn)原子的充分?jǐn)U散、排除剩余氣孔、降低總表面積的有效手段.在上述研究中，T2溫度為1 400 ℃保溫3 h得到的透明氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸較小，抗彎強(qiáng)度和透過(guò)率都較高，但其最佳保溫時(shí)間仍需進(jìn)一步明確.因此，選擇在T2溫度為1 400 ℃，探索不同的保溫時(shí)間對(duì)透明氧化鋁陶瓷燒結(jié)過(guò)程的影響.

2.2.1保溫時(shí)間對(duì)透明氧化鋁陶瓷相對(duì)密度和晶粒尺寸的影響

圖5為工藝B下，保溫時(shí)間對(duì)透明氧化鋁陶瓷相對(duì)密度和晶粒尺寸的影響.從圖5可以看出，經(jīng)歷了10 ℃/min升溫至T1(1 850 ℃)不保溫，迅速降溫到T2(1400 ℃)保溫不同時(shí)間后，陶瓷的相對(duì)密度達(dá)到90%以上，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)到達(dá)燒結(jié)末期.試驗(yàn)結(jié)果表明陶瓷的相對(duì)密度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，保溫3 h時(shí)相對(duì)密度達(dá)到最大.隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，坯體內(nèi)部孔隙收縮排除，在孔內(nèi)氣體的作用下，殘余孔隙會(huì)發(fā)生過(guò)量膨脹，使得陶瓷相對(duì)密度降低[27].

圖5 燒結(jié)工藝B，T2溫度1 400 ℃保溫2～5 h陶瓷的相對(duì)密度和晶粒尺寸Fig.5 Relative density and grain size of ceramics at T2 temperature of 1 400 ℃ for 2～5 h in condition of sintering process B

圖6給出了燒結(jié)工藝為B，T2溫度為1 400 ℃，分別保溫2、3、4、5 h后燒結(jié)陶瓷經(jīng)拋光、熱腐蝕后的晶粒尺寸.可以看出，該工藝下，晶界遷移會(huì)受到較強(qiáng)的氣孔釘扎作用，晶粒并沒(méi)有發(fā)生明顯的長(zhǎng)大.但較高的T1溫度使得坯體內(nèi)晶粒生長(zhǎng)速度不均勻，晶粒尺寸處于較寬的分布范圍，尺寸均勻性較差.在T2階段，晶界擴(kuò)散導(dǎo)致孔隙縮小排除，使坯體致密化，大尺寸晶粒生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)小于小尺寸晶粒；隨著保溫時(shí)間的增加，小尺寸晶粒生長(zhǎng)較快，大尺寸晶粒生長(zhǎng)緩慢，使得陶瓷的晶粒尺寸更加均勻，尺寸分布的標(biāo)準(zhǔn)差也逐漸降低.

圖6 燒結(jié)工藝B，T2溫度(1 400 ℃)保溫2～5 h陶瓷拋光后的腐蝕形貌和晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)Fig.6 Corrosion morphology and grain size distribution statistics of ceramics after polishing at T2 temperature(1 400 ℃) for 2～5 h in condition of sintering process B

圖7為燒結(jié)工藝為B，T2溫度1 400 ℃保溫2～5 h的陶瓷斷口形貌.相比而言，保溫2 h的斷面氣孔較多，氣孔主要為晶粒間氣孔，如圖7a所示；隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)至3 h，氣孔發(fā)生明顯收縮(圖7b)；當(dāng)保溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至4、5 h時(shí)，晶界上反而出現(xiàn)了較大氣孔，同時(shí)晶粒尺寸也有所長(zhǎng)大(圖7c、d)，這是由于坯體內(nèi)氣孔的合并膨脹引起的.

圖7 燒結(jié)工藝B，T2溫度1 400 ℃保溫2～5 h的陶瓷的斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of ceramics at T2 temperature of 1 400 ℃ for 2～5 h in condition of sintering process B

2.2.2陶瓷殘余氣孔的排除

經(jīng)過(guò)T1溫度1 850 ℃，T2溫度1 400 ℃保溫時(shí)間2～5 h燒結(jié)后，樣品基本不透明.為了提高陶瓷的透過(guò)率，需進(jìn)一步排除殘余氣孔.然而，在無(wú)壓狀態(tài)下，O2-的擴(kuò)散系數(shù)很小，亞微米級(jí)的氣孔難以通過(guò)晶界擴(kuò)散排除.因此，需要進(jìn)一步增加燒結(jié)溫度，借助晶界遷移，促進(jìn)氣孔收縮.

圖8為燒結(jié)工藝C樣品的腐蝕形貌和晶粒尺寸分布.圖8a～d的晶粒尺寸分布分別為此時(shí)，陶瓷的相對(duì)密度分別為99.50%、99.86%、99.75%和99.66%.相比于圖5(未升溫到1 850 ℃前)，經(jīng)再次升溫到1 850 ℃并保溫6 h，氣孔的釘扎作用減弱，晶界遷移促使晶粒長(zhǎng)大，氣孔進(jìn)一步排除，陶瓷相對(duì)密度得到提高[28].

圖8 燒結(jié)工藝C，T2溫度1400 ℃保溫2～5 h陶瓷的腐蝕形貌和晶粒尺寸分布Fig.8 Corrosion morphology and grain size distribution of ceramics at T2 1 400 ℃ for 2～5 h in condition of sintering regime C

圖9為燒結(jié)工藝C陶瓷的斷口形貌.與圖7相比，進(jìn)一步升溫至1 850 ℃保溫6 h排除殘余氣孔后，晶粒尺寸增大，晶面輪廓更加清晰.但可以觀察到仍有極少量的氣孔存在于陶瓷的晶界交匯處.

圖9 燒結(jié)工藝C，T2溫度1 400 ℃保溫2～5 h的陶瓷斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of ceramics at T2 1 400 ℃ for 2～5 h in condition of sintering process C

2.2.3保溫時(shí)間對(duì)透明氧化鋁陶瓷強(qiáng)度的影響

圖10所示為燒結(jié)工藝C陶瓷的抗彎強(qiáng)度，由圖可知，其值分別為(335±25.55)、(348±7.15)、(346±7.88)、(331±13.31) MPa.表明隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，透明氧化鋁陶瓷的抗彎強(qiáng)度先增大后減小，在T2溫度1 400 ℃保溫3 h時(shí)達(dá)到最高，主要是因?yàn)榇藭r(shí)陶瓷的相對(duì)密度較高，氣孔率較低.

圖10 燒結(jié)工藝C，T2溫度1 400 ℃保溫2～5 h陶瓷的抗彎強(qiáng)度Fig.10 Flexural strength of ceramics at T2 temperature of 1 400 ℃ for 2～5 h in condition of sintering process C

2.2.4保溫時(shí)間對(duì)透明氧化鋁陶瓷透過(guò)率的影響

圖11為燒結(jié)工藝C，T2溫度1 400 ℃下不同保溫時(shí)間氧化鋁陶瓷在200～900 nm的直線透過(guò)率，在650 nm的透過(guò)率分別為15.8%、24.4%、21.0%和16.0%.可見(jiàn)，隨著T2保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，透明氧化鋁陶瓷的直線透過(guò)率先增大后減小.其主要原因是在燒結(jié)工藝C，T2溫度1 400 ℃保溫3 h這一燒結(jié)工藝下，最終陶瓷的相對(duì)密度較高，氣孔率低，引起的光散射較小.

圖11 燒結(jié)工藝C，T2溫度(1 400 ℃) 保溫2～5 h陶瓷片的直線透過(guò)率(雙面拋光，厚度為0.8 mm)Fig.11 In-line transmittance of ceramics at T2(1 400 ℃) for 2～5 h (both sides polished,thickness:0.8 mm) in condition of sintering process C

在之前的研究中，將CR6粉體采用注凝成型法制備的坯體經(jīng)過(guò)1 000 ℃預(yù)燒后以2 ℃/min的速率升溫至1 850 ℃保溫6 h真空無(wú)壓燒結(jié)，得到的透明陶瓷圓片透過(guò)率為22%(波長(zhǎng)650 nm，厚度0.8 mm)，晶粒尺寸為22.2 μm，抗彎強(qiáng)度304.9 MPa.相比之下，改進(jìn)后的燒結(jié)工藝更有利于提高氧化鋁陶瓷的透過(guò)率，減小晶粒尺寸，提高相對(duì)密度和抗彎強(qiáng)度.

3 結(jié)論

基于注凝成型工藝和真空無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)兩步燒結(jié)法代替?zhèn)鹘y(tǒng)一步燒結(jié)法可有效控制透明氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸長(zhǎng)大和提高相對(duì)密度,改善透明氧化鋁陶瓷的光學(xué)性能和力學(xué)性能,得出如下結(jié)論：

1) 原始粉體粒徑D50為0.4 μm的氧化鋁粉體在1 400 ℃保溫時(shí)其致密化速率最快，且相對(duì)密度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，3 h時(shí)達(dá)到最大.

2) 采用兩步燒結(jié)法在1 400 ℃保溫時(shí)，晶界遷移會(huì)受到較強(qiáng)的氣孔釘扎作用，晶粒并沒(méi)有明顯長(zhǎng)大.但隨著后續(xù)燒結(jié)溫度升高，氣孔的釘扎作用減弱，晶界遷移促使晶粒長(zhǎng)大，氣孔進(jìn)一步排除.

3) 在燒結(jié)溫度1 400 ℃保溫3 h時(shí)，得到晶粒尺寸、透過(guò)率和抗彎強(qiáng)度分別(19.75±0.07) μm、24.4%(650 nm，0.8 mm厚)和(348±7.15) MPa的透明氧化鋁陶瓷.與傳統(tǒng)的一步升溫?zé)Y(jié)工藝相比，透明氧化鋁陶瓷的光學(xué)性能和力學(xué)性能均有所提升.