梁新星，黃小衛(wèi)，梁奇星，劉小鋼，沈遠勝，牛沈軍

(鄭州方銘高溫陶瓷新材料有限公司，鄭州 452370)

0 引 言

藍寶石具有良好的機械性能和物理性能，如硬度高，機械穩(wěn)定性好和顯著的抗熱沖擊性能等[1]，在眾多領域得到了廣泛應用。泡生法是目前應用最為廣泛的人工生長藍寶石的方法之一，Kympoulo在1926年首先提出來此方法，可應用于晶體的生長，而后前蘇聯(lián)的Musatov又將此方法改進，被首次應用到藍寶石單晶的制備中[2]。泡生法通過籽晶與熔體界面接觸并以極其緩慢的速度提拉籽晶，最后形成一個單晶晶錠。結晶過程中的微量提拉減少了溫場擾動，使爐內溫場更均勻[3-4]。該方法技術成熟，成本較低，適合大批量生產。泡生法生長藍寶石時晶體質量好壞的關鍵在于溫場是否穩(wěn)定。傳統(tǒng)藍寶石晶體生長爐的保溫系統(tǒng)通常采用多層鎢鉬隔熱屏的形式，可以滿足晶體生長需要的條件，但生產過程中的熱量損失過多，增加了生長成本；嚴重的電能損耗增加了穩(wěn)定爐內溫場的難度，容易出現晶界氣泡、晶體應力開裂、粘鍋等一系列問題，影響晶體品質。

1 釔鋯固溶體陶瓷

1.1 制備方法

按配方的質量分數稱取各種原料，所使用的原料滿足一定的純度和粒度范圍，由于在生產過程中人為等因素，在稱料過程中允許含有微量的雜質；稱料完成后，將原料加入三維混煉設備中混合12～24 h，得到釔鋯勻和原料；以高純氧化鋯(99.95%)和氧化釔(99.99%)為原料，經混料后采用高頻加熱熔殼法在2 850 ℃下進行熔煉結晶，通過此法結晶后可得到純凈的釔鋯固溶體陶瓷；將釔鋯固溶體陶瓷材料破碎，破碎后的粉料達到一定的粒度配比，將破碎并配備好粒度的粉末狀固溶體置于不銹鋼混料機內進行大于6 h的混制，然后加入結合劑進行造粒，混合均勻后，將原料放到烘干箱內烘干至一定水分；粉料烘干后，將粉料置于成型的硬質合金模具腔內，加壓成型，得到所需要的具有一定形狀及尺寸的產品生坯；將產品生坯置于高溫烘干箱內進行烘干，設定適當的烘干時間；當產品生坯烘干至合適水分時，可進行燒結。本產品采用兩步燒結法，兩次燒結的設備以及溫度曲線等都有所不同，第一步采用電加熱封閉式窯爐進行燒結，燒結溫度為(1 750±3) ℃，燒結時間為18～24 h；降至室溫后進行第二步燒結，采用真空燒結設備在(2 000±3) ℃燒結18～24 h。燒結完成后即可得到可以用于人工晶體生長爐內的高純釔鋯固溶體陶瓷制品。

1.2 釔鋯固溶體陶瓷的優(yōu)勢

釔鋯固溶體系材料是一系列技術已成熟、性能優(yōu)越的無機非金屬材料，對于人工晶體生長及超高溫領域具有不可估量的應用前景。

釔鋯固溶體相圖如圖1所示，分析得知，在釔的原子數占比達到16%以上時形成釔、鋯共存的固溶體相，此化學組成的固溶體出現液相的溫度也是相對較高的。鄭州方銘高溫陶瓷新材料有限公司研制的高純釔鋯固溶體陶瓷材料經過特殊工藝處理，高溫沒有活性，純度極高，與金屬鉬材料相比使用溫度更高，在真空、保護氣氛中使用溫度達到2 650 ℃，還可避免金屬材料高溫時出現的高溫過收縮變形甚至破裂等問題。同時，通過模擬人工晶體熱場，設計了拼砌組合式坩堝，如圖2所示。

圖1 釔鋯固溶體相圖Fig.1 Phase diagram of yttrium zirconium solid solution

圖2 產品結構圖樣Fig.2 Product structure drawing

此結構能夠大幅度減弱資源浪費的現象，降低生產成本，并且一定程度上也提高了人工合成藍寶石的優(yōu)質率。有研究表明，氧化鋯陶瓷材料的熱導率和輻射率都比常用的鎢鉬等保溫材料更低[5]。這都有益于超高溫爐內溫場的保溫，可顯著減輕人工合成藍寶石過程中的電能過度損耗問題。另外可對使用3年后的陶瓷溫場進行回收，通過技術處理后可用來制作冶金控流用高溫陶瓷制品，形成資源可循環(huán)利用的產業(yè)體系，有利于經濟發(fā)展和環(huán)境保護。

2 產品實際使用效果

釔鋯固溶體溫場使用后的爐內揮發(fā)物檢測報告如表1所示，從表中可以看出，釔鋯固溶體陶瓷產品使用后，爐內配件上附著物的主要元素為碳、鋁、硅、鐵等，其中碳、硅、鐵元素出現是爐內真空泵的微量機油返回爐內造成的，鋁元素為在氧化鋁加溫融化過程中的揮發(fā)導致。在檢測結果中未發(fā)現釔及鋯元素，證明產品在高溫使用過程中無揮發(fā)。

表1 釔鋯固溶體溫場使用后的爐內揮發(fā)物檢測結果Table 1 Volatile matter detection results of yttrium zirconium solid solution after using in temperature field /%

圖3是所研制釔鋯固溶體陶瓷材料在2 300 ℃真空環(huán)境下24 h脫氧后實驗照片，整體溫場結構無變化，無任何膨脹與收縮，無結塊熔融和變形開裂，材料所含的氧已經全部釋放并且常溫空氣中及真空加熱中不再有氧的吸收現象。經測試，在空氣氣氛下，藍寶石晶體片放置固溶體材料中，在1 750 ℃經18 h燒結后晶體無任何反應現象。

圖3 使用后的釔鋯固溶體陶瓷Fig.3 Yttrium zirconium solid solution ceramics after used

圖4是采用所研制釔鋯固溶體陶瓷溫場泡生法生長的120 kg級藍寶石，引晶功率低至59 kW，節(jié)省能耗達40%左右，同時保障成品率100%。金屬鎢鉬溫場每顆藍寶石晶錠需要耗電約為50 000 kW·h，使用所研制釔鋯固溶體陶瓷溫場耗電約為30 000 kW·h，以工業(yè)用電0.85元人民幣計算，每顆藍寶石晶錠節(jié)省耗電金額約為1.7萬元人民幣。

圖4 藍寶石成品Fig.4 Sapphire product

圖5為15爐次后溫場內部照片，銀色附著物為金屬氧化物的附著，整體溫場無任何開裂和粘連現象，整體結構良好，性能無任何衰減，引晶功率繼續(xù)維持在59 kW，爐內加熱器及其他金屬器件的衰減與全金屬溫場無差異，理論壽命在45個周期之后，較金屬溫場有大幅度的提升。

圖5 使用15爐次的溫場Fig.5 Temperature field of 15 heats used

3 結 論

隨著科技社會的快速發(fā)展，藍寶石的應用領域會不斷擴展，對藍寶石的質量以及尺寸的要求也越來越高。這也就意味著對生產藍寶石的設備提出了更為嚴苛的條件，可以達到批量生產，產品要求精度高且性能優(yōu)異。傳統(tǒng)的金屬保溫材料散熱嚴重而且還存在高溫變形的危險，不利于生產高品質的人工合成晶體。鄭州方銘高溫陶瓷新材料有限公司研制的高純釔鋯固溶體陶瓷既能有效防止生產過程中的能量過度浪費，節(jié)省能耗達40%左右，又大幅度增加了人工晶體生長爐的整體使用壽命，反復升降溫周期使用壽命達到3年，陶瓷溫場較金屬溫場提升6倍壽命，提高了生產效率，突破了大尺寸晶體生長溫場瓶頸，實現晶體大尺寸量產化，促進了人工合成晶體領域的進步。并且使用3年后的陶瓷溫場還可進行回收，通過技術處理后制作冶金控流用高溫陶瓷制品，形成綠色環(huán)保、循環(huán)利用，既經濟友好又環(huán)境友好的現代化生產體系。