[发明专利]等离子冶金法制备大尺寸刚玉

说明书

技术领域

本发明属于氧化铝陶瓷材料制备技术领域，尤其涉及刚玉的制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷可以制备成许多现代科研和工业部门不可替代的光学、激光器、电工电子、磁流体发电机元器件和高级耐火材料，粗晶氧化铝为刚玉耐磨材料，纯度很高或含有某些特定杂质的大单晶氧化铝就是红宝石或蓝宝石。氧化铝的熔点是2050℃，由于工作温度在2000℃以上的氧化性气氛加热电炉制造难度极大，限制了人们利用冶金熔炼法直接熔铸高纯氧化铝陶瓷，只能用低熔点玻璃相粘结氧化铝粉体来形成陶瓷，当氧化铝含量达到90％以上时，称之为刚玉瓷。随着氧化铝粉含量的增加，烧结温度大幅度提高。电弧可以达到5000℃以上的高温，但是由于氧化铝粉体不导电，受热均匀性很差，用电弧熔融法只能生产钢玉砂。目前制造宝石级刚玉氧化铝的方法有氢氧焰熔融晶体生长法、熔融晶体提拉法、模拟天然热液矿床成矿条件的水热法、和冷坩埚高频熔炼法，但都效率极低，成本很高，难以达到工业应用水平。

本发明在等离子冶金技术基础上，发明一种等离子冶金法制备大尺寸刚玉的方法。

发明内容

本发明的目的是实现利用等离子冶金法熔融制备大尺寸刚玉材料。其技术原理是：用等离子弧将熔点为1565℃的氧化铁粉加热熔化，同时埋入氧化铁粉底部的铝块受热熔化，两种液体混合后被等离子弧引燃，发生剧烈的氧化还原反应即铝热反应，生成铁与氧化铝(Fe₂O₃+2Al→Al₂O₃+2Fe)，同时释放出大量的反应热，在等离子弧与反应热的共同作用下，反应产物的铁和氧化铝都呈熔融状态，由于二者密度差别很大，在重力作用下铁液下沉而氧化铝液上浮，随后缓慢冷却凝固结晶，从而得到致密的纯氧化铝大尺寸刚玉材料。

本发明的优点是：以廉价的氧化铁粉和铝块为反应原料，用清洁的高温热源等离子弧快速加热原料并充分利用化学反应热量，高效便捷地得到纯净的熔融氧化铝液，结晶凝固后即可获得大块的高纯度氧化铝刚玉材料。

具体实施方式

在耐火材料坩埚的底部铺放铝块，上部填实氧化铁粉，氧化铁粉与铝块的重量比为3∶1，用等离子弧从坩埚上部加热氧化铁粉至熔融状态并引发铝热反应，待反应停止后熄灭等离子弧，在坩埚顶部盖上保温盖。