热压铸成形陶瓷反射体坯体低温脱脂和烧成工艺研究

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摘 要：以99%氧化铝为原料，采用热压铸成形法成形激光器泵浦腔陶瓷反射体，研究了其中低温脱脂和烧成的工艺参数，制定了合适的脱脂制度。结果表明，当烧成温度为1140℃时，试样无缺陷，并且收缩率、吸水率和抗折强度均符合要求。

关键词：热压铸成形；脱脂；烧成

1 引 言

激光器泵浦腔作为激光器的一个重要组成部分，它的目的在于将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上，从而提高固体激光器的效率。泵浦腔的性能会直接影响激光器的转换效率和激光性能[1]。目前国内的固体激光器多采用金属腔和玻璃腔，它们的镀层受外界环境的影响较大，易氧化、稳定性较差，影响激光器的寿命[2]。

氧化铝陶瓷因其本身具有很高的漫反射率,而且热导系数、机械强度都很高,同时氧化铝陶瓷耐腐蚀、化学稳定性好,因而倍受国内外的关注,成为研制激光泵浦腔比较理想的材料[3-5]。因此，本实验主要以99%氧化铝为原料，对激光器泵浦腔陶瓷反射体坯体的热压铸成形脱脂和烧成工艺进行了研究。

2 实 验

2.1材料

氧化铝粉：Al2O3含量99%；

石蜡：工业用。

2.2设备

温控真空搅拌机、真空搅拌热压铸机、高温箱式电阻炉、超级硅钼棒电炉和三轴剪力仪等。

2.3实验过程与工艺参数

2.3.1热压铸成形

热压铸成形工艺流程简图见图1。将混合好的料浆加入热压铸成形机，以6～8MPa压力在56～65℃左右注入模具成形，脱模后对坯体进行适当修整。

2.3.2 脱脂

脱脂工艺有传统脱脂工艺和低温脱脂工艺。传统脱脂工艺在窑内进行，最高温度为1100℃，低温脱脂工艺在普通烘箱内进行[6]，本实验采用低温脱脂工艺。

将用热压铸法成形所获得的激光陶瓷泵浦腔陶瓷反射体坯体竖直放入事先准备好的钵中，并用吸附剂将该坯体掩埋，然后将钵放入电热鼓风干燥箱中，按设定好的升温制度进行脱脂，完成后待冷却，取出。

2.3.3 坯体烧结

将脱脂后的坯体分为五组，分别在1120℃、1140℃、1160℃、1180℃、1200℃温度下进行烧成，具体烧成过程为：将脱脂后的坯体用压缩空气吹净其表面灰粉，放入超级硅钼棒电炉中，自室温连续升温27h至烧成温度，保温2h，然后随炉冷却取出。

2.4 激光泵浦腔陶瓷反射坯体的性能测试

测定坯体线性收缩；测定坯体的吸水率；用SJ-1A型三轴剪力仪测定抗折强度。

3 实验结果与讨论

3.1低温脱脂工艺讨论

本实验所研究的激光陶瓷泵浦腔陶瓷反射体坯体主要是以氧化铝蜡饼为主要材料，通过分析氧化铝蜡饼的差热分析图(图2)，我们初步确定了脱脂的3个升温阶段：第一阶段：室温～120℃；第二阶段：120～160℃；第三阶段：160～280℃。

120℃作为第一与第二阶段的分界点是因为在120℃时，大量石蜡和有机添加剂通过坯体表面向吸附剂中扩散并开始蒸发，此阶段坯体最易产生鼓泡、开裂等现象，必须缓慢升温。在160℃时分开第二与第三阶段是因为在160℃时坯体里的蜡和有机添加剂在第二阶段时大量被排出，可以稍微提高升温速率。

本实验用低温脱脂工艺是在电热鼓风干燥箱里进行，其具体的升温制度及实验现象如表1所示。

从表1中可看出，5#试件的升温速率较为合理，产品无裂纹，1#和3#试样脱脂过程都适当，没有出现气泡和裂纹，脱脂结果较好，5个试样脱脂后的样品见图3。图4是2#试样的局部图片，可见2#试样出现了裂纹，这可能是由于2#试样的升温时间偏短，在升温的第二阶段，大量石蜡和有机添加剂通过坯体表面向吸附剂中扩散并开始蒸发，升温速率过快，局部温度过高，从而导致坯体强度不够而出现开裂。4#试样没有出现裂纹，表示该升温制度第三阶段的升温速率是适中的；但是脱脂后偏白，原因是最高温度太高，从而导致坯体中的蜡完全蒸发，这样容易导致低温脱脂后坯体没有足够强度进行后续工作。

3.2烧成温度讨论

在不同温度下烧成的试样，结果见表2。从图5和图6可见，3#和5#试样的表面和内壁出现气泡，这是由于烧成温度太高而引起的。

3.2.1烧成温度对坯体线性收缩率的影响

图7和图8是烧成温度对坯体线收缩率和体收缩率的影响，由图可见，随着烧成温度的升高，坯体的收缩率逐步增大，尤其是在1160℃以后收缩尤为剧烈。由于激光陶瓷泵浦腔陶瓷反射体需与金属配件相匹配，如果烧成温度过高，坯体收缩过大，获得的产品其尺寸与金属件匹配不好；而如果烧成温度过低，坯体强度不够，又无法进行后续工作。因此初步确定，烧成温度在1160℃以下较为适宜。

3.2.2烧成温度对吸水率的影响

激光陶瓷泵浦腔陶瓷反射体需要具有一定的反射率和白度，要对其表面进行施釉，所以坯体要保证有一定的吸水率（达到12%左右[7]），以使施釉工艺得以顺利进行，因此坯体不能直接烧结成瓷。当升温时间和保温时间一定时，烧成温度越高它的吸水率就越低（见图9）。为使试样有合适的吸水率，烧成温度不能选取太高。

3.2.3烧成温度对抗折强度的影响

所制试件抗折强度与烧成温度的关系如图10所示。

由图10可知，激光陶瓷泵浦腔陶瓷反射体坯体随着烧成温度的升高，抗弯强度也随之升高，但是结合坯体的收缩和吸水率，由于烧成温度越高，坯体吸水率越低，收缩越大，这样会导致施釉后与金属配件尺寸匹配不好，同时试样3#p4#和5#存在内壁或者外壁表面有缺陷的问题，所以综合考虑，选定1140℃时为最佳烧成温度。

4 小 结

（1） 本实验采用热压铸成形法制备的陶瓷反射体，外形规整、尺寸精确、表面光洁度高，符合作为激光泵浦腔反射体的性能要求。同时，本试验工艺效率高，能满足产业化生产的需要。

（2） 本实验采用低温脱脂工艺，结合试验检测结果，确定最佳的脱脂制度为：

第一阶段：室温～120℃升温12h；

第二阶段120～160℃升温68h；

第三阶段：160～280℃升温48h。

（3） 根据实验结果，综合考虑收缩率/吸水率和抗弯强度等多方面的影响，确定1140℃为最佳烧成温度。

参考文献

[1] 王尚铎．国外固体激光器用陶瓷聚光腔[J]．激光与红外，1997，27(2)：74.

[2] 沈继耀．电子陶瓷[M]．北京：国防工业出版社，1979,2.

[3] 尹衍升，张景德．氧化铝陶瓷及其复合材料[M]．北京：化学工业

出版社，2001.

[4] 钦征骑，钱杏南，贺盘发．新型陶瓷材料手册[M]．南京：江苏科学

技术出版社，1995.

[5] Raman R，Zahrah T F．In：Phillips M，Porter J，eds Advance in

PowderMeterllurgy ＆ Particulate Materials，Part 6[C]．Princeton：

MPIF，199(l5)：161

[6] [波]卫・帕姆普奇著.杨宇乾等译.陶瓷材料性能导论[M].北京：

中国建筑出版社，1984，6.

[7] 李承恩.功能陶瓷粉体制备液相包裹技术的理论基础与应用[M].

上海：上海科学普及出版社，1997，45：202.

Low Temperature Degreasing and Firing Process Research on Ceramic Reflectors of Low Press Injection

XIE Chang-ping，ZHOU Cai-lou，WANG Yuan,WANG Chen

(School of Materials Science and Engineering,Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin300384,China)

Abstract:This thesis presents about low press injection of laser pumped cavities ceramics.The processes involved parameters in low temperature degreasing and firing process.The results showed that when the firing temperature was 1140℃, the samples with suitable bibulous rate,flexural strength and shrinkage could be achieved.

Key words:low press injection; degreasing; firing