Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия Российский патент 2024 года по МПК C04B35/581 C04B35/65 

Изобретение относится к области получения тугоплавких керамических материалов, в частности, к получению беспористой керамики, прозрачной в УФ, видимом и ИК спектрах.

Известен способ (RU 2370472 C1, С04В 35/581, С04В 35/626, С04В 35/65, С01В 21/072, 20.10.2009) получения литого оксинитрида алюминия, который включает в себя приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащих оксид хрома VI, оксид алюминия, алюминий и нитрид алюминия, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа в среде азота, или смеси азота с воздухом, или смеси азота с аргоном. После завершения синтеза целевой продукт в виде слитка оксинитрида алюминия отделяют от слитка алюминида хрома.

Недостатками данного способа являются непрозрачность материала, а также высокая плотность получаемого слитка, что затрудняет использование данного материала в качестве исходного сырья для получения оптически прозрачной керамики, т.к. для ее получения необходим мелкий размер частиц с узким фракционным составом, а также высокая чистота порошков.

Известен способ (RU 2013141975 А, С04В 35/115, С04В 35/581, 28.02.2012) получения поликристаллического оксинитрида алюминия, обладающего улучшенной прозрачностью. Смесь порошков оксида алюминия (Al2O3) и нитрида алюминия (AlN) спекают при атмосферном давлении. Способ включает первую стадию спекания при температуре от 1575°С до 1675°С такую, чтобы относительная плотность полученного материала была равна или превысила 95%, и содержание чистого AlN находилось в диапазоне от 17 до 26 мол.%; и вторую стадию спекания при температуре от 1900°С до 2050°С так, что получить относительную плотность, превышающую относительную плотность, полученную при первом спекании, в котором пропускание видимого света образца толщиной 1,5 мм, полученного после второй стадии, было равно или превысило 70%.

Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты, связанные с использованием высокотехнологического дорогостоящего оборудования, использование дорогостоящего нитрида алюминия, что заметно удорожает процесс и продукт, низкое светопропускание керамического образца.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия (Т.G. Akopdzhanyan, S.I. Rupasov, S. Vorotilo, Chemically activated combustion synthesis of AlON under high nitrogen pressure, Combustion and Flame, Volume 232, 2021). Смесь порошков алюминия, оксида алюминия и перхлората магния сжигают в атмосфере газообразного азота при давлениях от 10 до 60 МПа. Полученный порошок измельчают в планетарной мельнице с добавкой 0,5 масс. % оксида иттрия Y₂O₃, затем порошок прессуют в таблетки диаметром 20 мм и высотой 5 мм и спекают в атмосфере азота при температуре 1930°С со скоростью нагрева 40°С/мин и выдержкой от 2 до 4 часов. Полученные образцы шлифуют до толщины в 1,5 мм и полируют. В результате светопропускание образцов составило до 25%.

Недостатками данного способа являются использование высоких давлений азота при синтезе порошкового материала, наличие дополнительного этапа с введением спекающей добавки, а также низкое светопропускание керамики.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение высопрозрачной оптической керамики со светопропусканием более 70% для образца толщиной 3 мм на основе порошков оксинитрида алюминия.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия включает приготовление реакционной смеси порошков алюминия, оксида алюминия и перхлората магния в шаровой мельнице, помещение смеси в реактор и проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в среде азота, прессование смеси, спекание в высокотемпературной печи в среде азота, при этом в исходную смесь вводят не более 25 масс. % оксида магния и в качестве спекающей добавки - не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана, давление азота в реакторе поддерживают в диапазоне 0,5-10 МПа, а спекание проводят в среде азота при температуре 1800-1950°С, при этом длительность спекания составляет не менее 10 часов и не более 20 часов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Получают порошок оксинитрида алюминия методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) реакционной смеси в среде газа азота при давлениях в диапазоне 0,5-10 МПа, состоящей из алюминия, оксида алюминия, оксида магния и перхлората магния и спекающих добавок в количестве не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана. Для этого смешивают порошки алюминия, оксида алюминия, оксида магния и перхлората магния в количествах, чтобы в процессе синтеза образовался нитрид алюминия и оксид алюминия с массовым соотношением 1:4,48. Введение оксида магния в реакционную смесь позволяет получить однофазный продукт при проведении процесса СВС. Увеличение количества оксида магния в исходной смеси выше 25 масс. % приводит к неполному образованию материала и остается в виде вторичной фазы в конечном продукте. Это не позволит получать оптическую керамику. Также в эту смесь закладывают спекающие агенты в виде не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана. Увеличение количества спекающей добавки выше 0,5 масс. % приводит к изменению микроструктуры порошков, спеканию их в процессе синтеза и как следствие повышению размера зерна, что делает невозможным получение оптически прозрачной керамики без введения дополнительной стадии измельчения порошков. Далее смесь помещают в СВС реактор, реактор вакуумируют, после напускают газ и создают необходимое давление в диапазоне 0,5-10 МПа и инициируют процесс горения нагревом вольфрамовой или нихромовой спирали. Использование давления ниже 0,5 МПа приводит к не полному азотированию алюминия и, как следствие, полученный продукт содержит непрореагировавший алюминий из исходной смеси, что делает невозможным получение оптически прозрачной керамики. После синтеза, полученный материал просеивают через 50 мкм сито. Полученный порошок одноосно прессуют.

Далее полученные образцы помещают в высокотемпературную печь для проведения спекания. Спекание осуществляют при следующих условиях: давление N₂ - 100 КПа, температура - 1800-1950°С, скорость нагрева - 10°С/мин. Снижение температуры спекания ниже 1800°С приводит не полному спеканию образцов, снижению их плотности и, как следствие, к снижению оптических характеристик. Превышение температуры в 1950°С приводит к существенному росту зерна, образованию точек рассеивания на границах зерен, и, как следствие, снижению светопропускания керамики. Для полноценного протекания процессов консолидации спекание проводят не менее 10 часов и не более 20 часов, что способствует росту зерна и увеличению оптических характеристик. Время протекания процесса спекания зависит от требований к конечным оптическим характеристиками керамики, чем больше время спекания, тем выше светопропускание керамики. Температура спекания связана с необходимостью обеспечения роста зерна. Сущность изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Для получения порошка оксинитрида алюминия берут порошки оксида алюминия, алюминий, перхлорат магния, оксид магния, оксид иттрия, оксид лантана. Основные характеристики реагентов приведены в таблице 1.

Реакционную смесь готовят в шаровой мельнице с использованием мелющих тел из оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, масс. %: оксид алюминия - 72,3; алюминий - 9,2; перхлорат магния - 4,6; оксид магния 13,8; В качестве спекающей добавки используют порошки, масс. %: оксид иттрия - 0,08; оксид лантана - 0,02. Готовую смесь помещают в графитовый тигель. Тигель помещают в СВС реактор, реактор вакуумируют, далее нагнетают давление азота 5 МПа, смесь локально воспламеняют с помощью нихромовой спирали и осуществляют синтез в режиме СВС.

После завершения процесса СВС продукт охлаждают и извлекают из реактора. Продукт представляет собой однофазный порошок. Выход целевого продукта (оксинитрида алюминия с добавками оксидов иттрия, лантана и магния) составляет 97% от расчетного значения. Размер зерна основной фазы составляет <2 мкм.

Далее полученный порошок просеивают через 50 мкм сито, прессуют в образец необходимого размера и помещают в высокотемпературную печь. Для исключения загрязнения образца материалами нагревателей печи, образец помещают в стакан из нитрида бора. Камеру печи вакуумируют, и нагнетают 100 КПа азота. В печи производят спекание образца при температуре 1800°С в течение 20 часов. После остывания печи, полученный образец обрабатывают до толщины 3 мм, шлифуют и полируют до зеркального блеска. Светопропускание полученного образца толщиной 3 мм составляет 74%.

Пример 2. Для получения порошка оксинитрида алюминия берут порошки оксида алюминия, алюминий, перхлорат магния, оксид магния, оксид иттрия, оксид лантана. Основные характеристики реагентов приведены в таблице 1.

Реакционную смесь готовят в шаровой мельнице с использованием мелющих тел из оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, масс. %: оксид алюминия - 75,15; алюминий - 17; перхлорат магния - 7,5; оксид магния 0,1. В качестве легирующей добавки используют порошки, масс. %: оксид иттрия - 0,2; оксид лантана - 0,05. Готовую смесь помещают в графитовый тигель. Тигель помещают в СВС реактор, реактор вакуумируют, далее нагнетают давление азота 10 МПа, смесь локально воспламеняют с помощью нихромовой спирали и осуществляют синтез в режиме СВС.

После завершения процесса СВС продукт охлаждают и извлекают из реактора. Продукт представляет собой однофазный порошок. Выход целевого продукта (оксинитрида алюминия с добавками оксидов иттрия, лантана и магния) составляет 97% от расчетного значения. Размер зерна основной фазы составляет <2 мкм.

Далее полученный порошок просеивают через 50 мкм сито, прессуют в образец необходимого размера и помещают в высокотемпературную печь. Для исключения загрязнения образца материалами нагревателей печи, образец помещают в стакан из нитрида бора. Камеру печи вакуумируют, и нагнетают 100 КПа азота. В печи производят спекание образца при температуре 1870°С в течение 16 часов.

После остывания печи, полученный образец обрабатывают до толщины 3 мм, шлифуют и полируют до зеркального блеска. Светопропускание полученного образца толщиной 3 мм составляет 77%.

Пример 3. Для получения порошка оксинитрида алюминия берут порошки оксида алюминия, алюминий, перхлорат магния, оксид магния, оксид иттрия, оксид лантана. Основные характеристики реагентов приведены в таблице 1.

Реакционную смесь готовят в шаровой мельнице с использованием мелющих тел из оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, масс. %: оксид алюминия - 61,2; алюминий - 5,8; перхлорат магния - 7,5; оксид магния 25; В качестве легирующей добавки используют порошки, масс. %: оксид иттрия - 0,4; оксид лантана - 0,1. Готовую смесь помещают в графитовый тигель. Тигель помещают в СВС реактор, реактор вакуумируют, далее нагнетают давление азота 0,5 МПа, смесь локально воспламеняют с помощью нихромовой спирали и осуществляют синтез в режиме СВС.

После завершения процесса СВС продукт охлаждают и извлекают из реактора. Продукт представляет собой однофазный порошок. Выход целевого продукта (оксинитрида алюминия с добавками оксидов иттрия, лантана и магния) составляет 97% от расчетного значения. Размер зерна основной фазы составляет <2 мкм.

Далее полученный порошок просеивают через 50 мкм сито, прессуют в образец необходимого размера и помещают в высокотемпературную печь. Для исключения загрязнения образца материалами нагревателей печи, образец помещают в стакан из нитрида бора. Камеру печи вакуумируют, и нагнетают 100 КПа азота. В печи производят спекание образца при температуре 1950°С в течение 10 часов.

После остывания печи, полученный образец обрабатывают до толщины 3 мм, шлифуют и полируют до зеркального блеска. Светопропускание полученного образца толщиной 3 мм составляет 70%.

Характеристика исходных веществ и функциональных добавок приведена в таблице.

Таким образом, в результате заявленного изобретения получена беспористая, высопрозрачная оптическая керамика на основе оксинитрида алюминия, прозрачная в УФ, видимом и ИК спектрах со светопропусканием более 70%.

Изобретение относится к области получения тугоплавких керамических материалов, в частности к получению беспористой керамики, прозрачной в УФ, видимом и ИК спектрах. Техническим результатом заявленного изобретения является получение высокопрозрачной оптической керамики со светопропусканием более 70% для образца толщиной 3 мм на основе порошков оксинитрида алюминия. Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия включает приготовление реакционной смеси порошков алюминия, оксида алюминия и перхлората магния в шаровой мельнице, помещение смеси в реактор и проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в среде азота, прессование смеси, спекание в высокотемпературной печи в среде азота, при этом в исходную смесь вводят не более 25 масс. % оксида магния и в качестве спекающей добавки - не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана, давление азота в реакторе поддерживают в диапазоне 0,5-10 МПа, а спекание проводят в среде азота при температуре 1800-1950°С, при этом длительность спекания составляет не менее 10 часов и не более 20 часов. 1 табл., 3 пр.

Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксинитрида алюминия, включающий приготовление реакционной смеси порошков алюминия, оксида алюминия и перхлората магния в шаровой мельнице, помещение смеси в реактор и проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в среде азота, прессование смеси, спекание в высокотемпературной печи в среде азота, отличающийся тем, что в исходную смесь вводят не более 25 масс. % оксида магния и в качестве спекающей добавки - не более 0,5 масс. % смеси оксидов иттрия и лантана, давление азота в реакторе поддерживают в диапазоне 0,5-10 МПа, а спекание проводят в среде азота при температуре 1800-1950°С, при этом длительность спекания составляет не менее 10 часов и не более 20 часов.