鎂鋁尖晶石透明陶瓷的制備與應用

　　鎂鋁尖晶石多晶透明陶瓷由于具有高透光率、良好的機械性能以及較低的生產成本，在航空航天、軍事、激光、原子能及半導體等工業中得到廣泛應用。

　　鎂鋁尖晶石粉體的制備

　　由于透明鎂鋁尖晶石陶瓷的透光性能對于燒結粉體的純度與粒度十分敏感，所以制備出高純、高燒結活性、成分均勻、粒徑分布窄、良好分散性和合理成本的鎂鋁尖晶石粉體十分重要。

　　高溫固相反應合成法

　　固相反應合成法是現在工業生產鎂鋁尖晶石工藝成熟且適合大規模生產的方法。它利用高純的MgO和Al2O3粉體在高溫下直接通過固相反應合成，當合成溫度大于1600℃時得到微米級粉體，而合成溫度1450℃得到亞微米的尖晶石粉體。但由于這種方法合成的粉體粒徑分布很廣，不利于燒結活性。所以在使用之前經過球磨，降低粉體粒徑分布。在通常情況下反應生成尖晶石相時由于5-7%的體積膨脹導致固相反應膨脹不完全。所以一般在生產過程中，在球磨處理后，還會將粉體進行焙燒處理，該工藝簡單，但是能耗大，在球磨過程中容易受到二次污染。

　　共沉淀法

　　共沉淀法是通過向混合金屬溶液中添加合適的沉淀劑，使所需要的成分均勻的沉淀下來，然后進行過濾、洗滌、干燥、煅燒處理，最終得到粉體的制備方法。該方法可以使各組分實現分子水平的均勻混合，有效降低煅燒溫度，從而實現超細、高燒結活性粉體的制備。此外，該方法還具有流程簡單、成本低等優點，可以廣泛的制備氧化物陶瓷粉體，如MgAl2O4、YAG、LuAG等。

　　溶膠-凝膠法

　　溶膠-凝膠法制備鎂鋁尖晶石通常使用金屬醇鹽，通過加入螯合劑，在一定溫度下經陳化處理，使醇鹽通過水解、縮聚得到凝膠。再將凝膠經過干燥得到納米MgAl2O4尖晶石前驅體粉末，經過焙燒處理后即可得到納米尺度均勻性良好的鎂鋁尖晶石粉末。采用溶膠-凝膠法制備的粉體具有化學成分均勻、粒徑分布窄、比表面積大、易于制備多組分材料等優點，但是溶膠在干燥過程中容易形成團聚現象，嚴重的影響了粉體的燒結活性。

　　燃燒法

　　燃燒法是在制備時加入定量有機物，利用反應物間燃燒的熱效應在短時間內產生高溫來降低最后灼燒的溫度，同時有機物燃燒時產生大量氣體，可以減少粉體的團聚從而降低粉體顆粒尺寸的一種粉體制備方法。燃燒法可以在短時間內制備出超細、組成均勻的粉體，粉體具有很高的燒結活性。

　　醇鹽水解法

　　醇鹽水解法是一種通過金屬醇鹽水解來制備陶瓷粉體的濕化學方法。醇鹽是醇的羥基氫被金屬元素取代而生成的化合物的總稱。金屬醇鹽遇水容易水解生成水合的氧化物或者氫氧化物，在適當溫度下煅燒后可以得到高純的陶瓷粉體。金屬醇鹽水解法是制備納米粉體的有效方法，具有設備、流程簡單等優點。

　　鎂鋁尖晶石透明陶瓷的燒結

　　鎂鋁尖晶石由于自身較慢的物質擴散速率，難以實現完全致密化，因此需要采用高溫、高壓燒結方法制備透明陶瓷。目前，鎂鋁尖晶石透明陶瓷的燒結方法主要包括無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、放電等離子燒結等。

　　無壓燒結

　　無壓燒結是陶瓷制備工藝中最基本的燒結方法，具有簡單易行、成本低、適于大尺寸和復雜形狀樣品批量化制備等優點。同時，可以用空氣、真空和其他氣體氣氛進行燒結，適用的材料體系比較廣。但是，鎂鋁尖晶石由于自身固有的性質在燒結后期很難將氣孔完全排除，無法直接通過無壓燒結制備高光學質量的透明陶瓷，通常需要與熱等靜壓燒結相結合以進一步消除陶瓷內部的殘余氣孔。

　　熱壓燒結

　　熱壓燒結是一種在加熱原料的同時施加軸向壓力的燒結技術。在粉料受熱膨脹軟化時，對粉料施加一外力，促進了顆粒間的移動和有效接觸，增加了傳質動力，從而可以降低燒結溫度、縮短燒結時間，并且可以抑制晶粒生長，從而獲得具有良好性能的產品。但熱壓燒結制備樣品形狀單一，且生產效率比較低，制備成本高，樣品的光學均勻性差，難以實現批量化生產。

　　熱等靜壓燒結

　　熱等靜壓燒結法采用高壓惰性氣體或氮氣作為壓力傳遞介質，壓力更均勻，使加工產品具有高致密度和優秀的均勻性。熱等靜壓燒結結合了熱壓燒結和無壓燒結的優點，既可以促進燒結致密化，抑制晶粒生長，同時適合大尺寸、復雜形狀樣品的批量化制備。目前大部分鎂鋁尖晶石透明陶瓷是先通過熱壓燒結或者無壓燒結方法得到開口氣孔率接近0的預燒體，然后利用熱等靜壓燒結消除殘余氣孔制備的。

　　放電等離子燒結

　　放電等離子燒結是利用脈沖電流瞬間放電產生大量的熱能使粉料燒結致密的。脈沖電流產生的等離子體和壓力的施加有利于降低粉末的燒結溫度，而低電壓和高電流的特征使粉末能夠快速燒結且致密，該技術廣泛用于制備透明陶瓷的研究。放電等離子燒結法具有升溫快，燒結時間短的特點，其缺點是制備的樣品尺寸小且形狀簡單，由于升溫快，保溫時間較短，使氣孔的完全排除比較困難。

　　微波燒結

　　微波燒結是利用材料在微波電磁場中的介電損耗使陶瓷材料整體加熱到燒結溫度而實現致密化的快速燒結方法。它具有升溫速度快、保溫時間短等優點，可以有效抑制晶粒生長，從而制備出高透過率、高強度的透明陶瓷材料。通過控制電場均勻性、陶瓷的介電和導熱性能可以保證樣品內部的溫度均勻性，防止局部過熱現象的出現。

　　鎂鋁尖晶石透明陶瓷的應用

　　鎂鋁尖晶石透明陶瓷的透光范圍涵蓋了紫外至中紅外波段，具有強度高、耐高溫、熱震性能優異、耐酸堿腐蝕、耐砂雨蝕等優點，可以廣泛應用于諸多領域。鎂鋁尖晶石可以用作紫外光刻窗口和小型化透鏡，在可見光區域，鎂鋁尖晶石具有很高的透過率，同時具有低密度、高強度、批量生產等優點，可以取代防彈玻璃、藍寶石單晶成為輕質量、抗彈性能良好的裝甲材料。鎂鋁尖晶石相對于其它材料而言，透光波段涵蓋紫外和紅外波段，可以實現紫外/紅外雙模制導，同時可以在高溫等惡劣條件下保持良好的光學和力學性能，是紅外窗口和整流罩的理想候選材料。通過摻雜合適的稀土元素，鎂鋁尖晶石透明陶瓷可以用于白光LED和激光材料領域。此外，鎂鋁尖晶石透明陶瓷還可以做條形碼掃描器、手表、夜視系統和高溫護目鏡。

　　參考資料：

　　李俊逸.鎂鋁尖晶石透明陶瓷材料的制備及性能

　　馮垚.鎂鋁尖晶石透明陶瓷及玻璃陶瓷的制備和光學性能研究

　　韓丹.鎂鋁尖晶石透明陶瓷的制備與性能研究

　　付萍.尖晶石基透明陶瓷的制備及其光學、微波介電性能的研究

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