增强透明陶瓷的方法以及陶瓷技术

本发明专利技术涉及陶瓷领域，并涉及具有提高的可负荷性的透明复合部件。本发明专利技术的目的在于提供透明陶瓷部件，其克服了迄今在断裂韧性方面的缺点。该目的通过制备透明陶瓷复合材料的方法来实现，其中形成至少一个近表面平坦透明区域，该区域具有比部件的其余部分更小的热膨胀系数，从而在热处理和冷却之后在近表面区域中产生压应力。所述一个或多个近表面区域可以通过单独涂层的布置或直接在制备期间通过相应的化学计量梯度产生。

Methods of Reinforcing Transparent Ceramics and Ceramics

The invention relates to the field of ceramics, and to transparent composite components with enhanced loadability. The present invention aims to provide transparent ceramic components, which overcome the shortcomings in fracture toughness so far. This objective is achieved by preparing transparent ceramic composites, in which at least one near-surface flat transparent region with a smaller coefficient of thermal expansion than the rest of the component is formed, resulting in compressive stress in the near-surface region after heat treatment and cooling. The one or more near-surface areas can be generated by the arrangement of separate coatings or by corresponding stoichiometric gradients directly during preparation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】增强透明陶瓷的方法以及陶瓷本专利技术涉及陶瓷领域，并涉及具有提高的断裂韧性的透明复合部件。特别地，本专利技术涉及新方法，以增强和加固多晶透明陶瓷以及有针对性地影响折射率和反射。现有技术从文献中已知许多透明组件，其具有几乎不依赖于厚度的对于紫外、可见和红外波长的高的光透射率。在立方Mg-Al尖晶石中，例如可以实现厚度在cm范围内的部件的清晰的透视性，只要残余孔隙率可以降至低于百分之一。为此，烧结步骤通常在1500℃以上的高温下进行，但这可能由于晶粒生长而不利地导致降低的可负荷性。最近的研究表明，新的细晶尖晶石陶瓷可以避免这种缺点。这些尖晶石陶瓷的透射率对层厚度的依赖性小且在UV至IR的宽波长（λ=2∙10-7-6∙10-6m）范围内具有高透射率。此外，它们由于其低至<1μm的小粒度而具有高硬度（HV10=1450-1500）[1]。图1中示出了不同材料的透射率对波长的依赖性的概述。在此，由文献可得的PC[2]和硼硅酸盐[3]的数据以及立方c-ZrO2[4]和MagAl2O4[5]的数据描绘在该图中。为了用作保护层，对这样的透明陶瓷提出了高要求。在此特别地，除了高弹性模量之外，高硬度也属于高保护作用的最重要的前提条件。致密烧结的多晶陶瓷的硬度既可以比相应单晶的硬度更大，也可以更小，特别是当存在细颗粒（feinkörnig）结构时可以更高。透明陶瓷的抗断裂性在此通常显著低于预测的理论值，因此透明陶瓷由于其目前较高的制备成本而仅在特殊应用中与玻璃或单晶竞争。对于金属、合金、玻璃和不透明陶瓷，早就已经描述了通过将压应力引入部件表面可以进行加固或增强。例如从现有技术中已知，不透明陶瓷的加固或增强可以通过制备层压材料来进行。在这种情况下，一方面使用不同的陶瓷，其各自具有不同的热膨胀系数。另一方面，例如通过离子注入用阳离子掺杂也导致在表面处产生压应力，其中该阳离子具有比基础结构的阳离子更大的原子半径。迄今已知的用于通过将压应力引入表面来增强不透明陶瓷的方法不能容易地转用于透明陶瓷，因为不透明陶瓷对透光性提出不与如下所示相同的要求：-在具有不同折射率的透明陶瓷之间的界面必须平坦且具有垂直于光的入射的取向；-具有不同折射率的区域、裂缝或孔隙仅允许以小于材料的0.01体积％存在；-透明陶瓷的固有应力必须在垂直于入射光的平面内具有均匀取向，正如应力梯度必须具有垂直于入射光的取向那样；-晶体结构必须不变地延伸直至界面，特别是在立方结构的情况中；-多晶双折射透明陶瓷的粒度必须处于穿透光的预期波长以下；-另外，透明陶瓷在透光性方面的性能不允许在陶瓷制备过程中改变。例如，DE102011080378A1中例如描述了用于安全应用的透明复合板，其避免了迄今在透明多晶陶瓷的透射率和品质方面的缺点以及受限的保护作用，如例如Al2O3单晶相比于细晶透明Al2O3-或尖晶石-烧结陶瓷显示那样。为此，提供透明复合板，其中复合材料由多个层构成，这些层相继布置，并且它们中的至少一个层由一个或多个镶嵌（mosaik）或连续布置的单晶镁铝尖晶石片材构成。此外，由DE102004004259B3已知一种透明多晶烧结陶瓷，其具有Mg-Al尖晶石、Al氧氮化物、ZrO2或Y-Al石榴石的立方晶体结构或这些组分的混合结构，其以60nm<D<10μm范围内的平均粒度D具有HV10>13Gpa的维氏硬度。目的和解决方案本专利技术的目的是提供与现有技术相比具有改进的断裂韧性的其它透明多晶烧结陶瓷。此外，本专利技术的目的是提供用于这些改进的透明多晶陶瓷的相应制备方法。本专利技术的目的通过具有独立权利要求特征的制备透明多晶陶瓷的方法和通过具有从属权利要求特征的透明多晶陶瓷来实现。从各自引用的权利要求中可以得出该方法和陶瓷的有利实施方案。
技术实现思路
在本专利技术的上下文中已经发现，通过在透明多晶陶瓷的近表面区域中产生压应力而可以显著增强该陶瓷，并且特别地可以改进断裂韧性。在本专利技术的上下文中，术语“透明”或“透明度”应理解为清晰的透视性，如例如对于窗玻璃在可见光范围内所得那样。因此，划分透明与半透明，半透明表征了可透视性能和因此部分透光性。日常生活的典型实例是乳白玻璃。断裂力是材料测试中对于力所用的术语，其被需要以在均匀增加负荷的情况下折断试样或撕裂试样。断裂力通常作为力（N）或作为基于部件横截面的断裂应力或断裂韧性（N/mm²）给出。根据力的传导的种类，强度可以进一步区分为拉伸强度、抗压强度、弯拉强度、剪切强度或扭转强度。强度是取决于材料的参数，并且还特别地取决于温度。脆性材料通常在没有塑性部分的纯弹性变形后断裂，和因此具有低的断裂伸长率。强度由晶格中的结合力以及由结构中的缺陷和不规则性（例如晶界、孔隙、外来原子或外来相）以及由表面处的缺陷（例如粗糙或划痕）决定。根据缺陷的种类，强度可以提高或降低。相反，断裂韧性描述了材料对不稳定裂缝扩展的抵抗力。材料特征值是临界应力强度因子KIc，在该临界应力强度因子下开始不稳定的裂缝扩展。本专利技术提供了一种方法，通过该方法可以有利地改进多晶透明陶瓷的断裂韧性。因此，本专利技术还提供了具有改进的断裂韧性的多晶透明陶瓷。特别地，可以通过类似于进行硬度测试那样的测量来检验这些改进。在硬度测试中，测量试件对压入另一个更硬物体的抵抗力。物体的硬度在此特别取决于该物体内存在的结构。在此，晶格的种类以及制备物体时的加工方式具有影响。对于硬度测试，例如使用维氏方法。在此，以垂直于试件表面的测试力F[以N为单位]压入直棱锥形式的压头。该棱锥的底面为正方形，对置面之间的角度为136°。维氏硬度可以由测试压痕的对角线的平均值计算。为了检测断裂韧性，可以使用类似的方法。然而，在此不仅考虑对角线的测试压痕，还测量从其出发的裂缝。此外，通过选择试件，可以实现不同的压痕深度，从而既可以对近表面涂层，也可以对处于更深区域进行说明。这里提出的断裂韧性检测特别地用于比较目的，并且通常在断裂韧性方面不给出绝对测量值。与此相反，通过Anstis等人[6]的等式可以由所得的裂缝长度以良好的精确度估算脆性陶瓷的断裂韧性。如果在硬度测试时用力F将维氏试件压入样品中，则产生测试压痕，其显示出材料的硬度H。在脆性材料的情况下，在测试压痕的拐角处额外形成长度c的裂缝。对于材料而言特征性的应力强度因子根据Anstis在知晓材料的弹性模量的情况下可以计算：用于透明陶瓷的已知材料特别是多晶二氧化锆（ZrO2）（其立方相通过用例如Y、Sc、Mg、Ce或Ca掺杂而稳定）或刚玉（α-Al2O3）或尖晶石陶瓷（MgAl2O4）。此外，还已知由Al-氧氮化物或基于Y和Al的石榴石制成的透明陶瓷。透光性在此通常随结构尺寸而变化，并且在结构尺寸>20μm的情况下通常已经显示出不再清晰的透视性。自承重（freitragend）的透明陶瓷的厚度在100µm至若干cm的范围内，其中随着层厚度的增加，透光性通常会降低。此外，为了确保透明度，结构中和表面处的缺陷数量不允许超过临界值。本专利技术提出，为了增强和提高多晶透明陶瓷的断裂韧性，在至少一个近表面区域中产生压应力。这可以根据本专利技术以两种方式进行。为此，可以在多晶透明陶瓷体的表面上布置与其相容的平坦且离子或共价键合的多晶透明陶瓷表面区域（第一实施方案）或在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.制备透明多晶陶瓷的方法，其特征在于，在所述陶瓷内形成至少一个近表面平坦透明区域，所述区域具有比在陶瓷其余部分中更小的热膨胀系数，以使得在热处理和冷却之后在近表面区域中产生压应力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.28 DE 102016009153.3;2016.08.11 DE 10201601.制备透明多晶陶瓷的方法，其特征在于，在所述陶瓷内形成至少一个近表面平坦透明区域，所述区域具有比在陶瓷其余部分中更小的热膨胀系数，以使得在热处理和冷却之后在近表面区域中产生压应力。2.根据权利要求1所述的方法，其中在具有热膨胀系数αB的透明多晶陶瓷体1上施加具有热膨胀系数αS的平坦透明多晶涂层3作为近表面区域，其中αB>αS，并且其中在所述体和涂层之间产生平坦、透明且离子或共价键合的界面2。3.根据前述权利要求所述的方法，其中对于涂层3选择与用于陶瓷体1不同的透明多晶陶瓷。4.根据权利要求2至3中任一项所述的方法，其中选择经Y2O3掺杂的ZrO2（YSZ）作为陶瓷体的材料并选择Y2O3作为涂层的材料。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中通过粉末技术方法或气相沉积或电化学沉积将所述涂层施加到所述陶瓷体上。6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中将层厚度为0.2至5μm、特别是0.5至1.5μm的涂层施加到陶瓷体上。7.根据权利要求1所述的方法，其中具有不同热膨胀系数的至少两种不同陶瓷起始粉末层状地彼此叠置在平坦界面上，其中具有较小...

【专利技术属性】
技术研发人员：O吉永，M鲁巴特杜梅拉克，M布拉姆，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE