基于β-鋰霞石和氧化物的陶瓷復合材料,和制造所述復合材料的方法技術

本發明專利技術涉及基于β-鋰霞石和氧化物的陶瓷復合材料，和制造所述復合材料的方法。本發明專利技術涉及具有低于1.3×10-6K-1的熱膨脹系數的復合材料，其特征在于所述復合材料是基于氧化物和β-鋰霞石晶體的燒結陶瓷，該燒結陶瓷的β-鋰霞石含量少于約55重量％(69體積％)。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術的領域是適合于制備用于太空應用的光學組件(如鏡子)的復合材料，和光學結構(也稱為結構組件)的制備，所述光學結構的功能為定位和支撐光學組件。
技術介紹
太空觀測的整體趨勢是增加鏡子的直徑，以為了觀測宇宙以及例如從地球靜止軌道觀測地球的未來科學任務。因此，在不久的將來，將會有對極其穩定的復合材料的需要， 所述復合材料允許達到很高程度的照亮，并同時仍是剛性且堅固的，能夠制備直徑大于an 且每單位面積重量少于25kg/m_2的鏡子。為獲得尺寸穩定的鏡子，尋求在約環境溫度和/ 或低于環境溫度時具有很低的CTE(熱膨脹系數)的用于低溫應用(例如紅外觀測)的復合材料。為了能夠保證圖像質量，如望遠鏡結構的光學結構本身在尺寸穩定性方面也受到非常嚴格的要求。另外，增加它們的尺寸要求復合材料能達到高程度的照亮，并同時仍是剛性且堅固的。對此類應用，已知具有良好尺寸穩定性，即小于1. 3X 10- -1的正的熱膨脹系數的復合材料。例如，存在稱為對應于注冊商標的^rodur的復合材料。^rodur是廣泛用于制備用在地球和太空的鏡子的玻璃陶瓷。它在室溫下具有非常低的熱膨脹系數OXio-8K-1), 優良的光學性質和低密度(d = 2』4)。但是，其適度的機械性能嚴重限制了其發光能力。 由Z0rodur 制成的鏡子的每單位面積最小質量是約35-40kg/nf2。設想krodur用于直徑大于1. 5m的太空鏡子有些不切實際。
技術實現思路
本專利技術的一個目的在于提供顯示與太空應用相適應的良好尺寸穩定性和能夠制備大型光學組件和結構的良好機械性質的復合材料。本專利技術的另一個目的是提供可從簡單的制造方法獲得的此類復合材料。為此目的，本專利技術的一個主題是具有小于1. 3X 10- -1的熱膨脹系數的復合材料， 所述復合材料是基于氧化物和鋰霞石晶體的燒結陶瓷，其鋰霞石含量少于約55 重量％ (約70體積％)，所述氧化物能在低于鋰霞石熔點的溫度下燒結，且具有大于 IOOGPa的楊氏模量和大于IOOMPa的測得的彎曲強度。有利地，該β -鋰霞石具有大于約6 μ m的晶粒大小。有利地，該β -鋰霞石晶粒有微裂紋。在第一具體實施方式中，該氧化物是氧化鋁。有利地，該氧化物由燒結納米級氧化鋁晶體獲得。在第二具體實施方式中，該氧化物是氧化鋯。有利地，該氧化鋯摻雜四價元素，例如氧化鈰。本專利技術的另一個主題是用以太空應用的光學組件，其由本專利技術的復合材料制成。本方面的另一個主題是用以定位和支撐至少一種用以太空應用的光學組件的結構組件，該結構組件由本專利技術的復合材料制成。本專利技術的另一個主題是包括光學組件和結構組件的光學器件，光學組件和結構組件兩者均由本專利技術的復合材料制成。有利地，該光學器件包括光學組件和結構元件，光學組件和結構元件兩者均由同樣的復合材料制成。本專利技術的另一個主題是制造本專利技術的復合材料的方法，該方法包括制備第一粉末共混物的步驟，其中將結晶形式的氧化物粉末與結晶形式的鋰霞石粉末共混，和熱處理步驟，該步驟用于加熱獲自第一共混物的氧化物和鋰霞石的復合材料以燒結該氧化物。有利地，該熱處理步驟在于在熱處理條件下，將該氧化物和該β -鋰霞石的復合材料加熱至鋰霞石熔點以下的燒結溫度。有利地，該方法包括制造β -鋰霞石粉末的步驟，該步驟包括-制備具有合適比例的碳酸鋰粉末、氧化鋁粉末和二氧化硅粉末的共混物以獲得 β-鋰霞石的步驟；-煅燒獲自共混物的粉末以獲得β-鋰霞石的步驟；和-熱處理步驟以使β-鋰霞石晶粒生長并斷裂。有利地，所述煅燒步驟包括將溫度升高到最高溫度的步驟，隨后在溫度達到最高溫度之后立即開始降低溫度的步驟。具體實施例方式采用基于能夠在鋰霞石熔點以下的溫度燒結的氧化物(具有正的熱膨脹系數)的復合材料，顯示與太空應用相適應的尺寸穩定性的復合材料是易于獲得的。混合氧化物和鋰霞石顆粒并將該共混物加熱到能使氧化物燒結的溫度是足夠的。此外，通過選擇具有高楊氏模量和高強度的氧化物，獲得具有適合于太空領域的光學應用，且更特別地適合于制備直徑大于an的光學組件和適合的光學結構的機械性質的復合材料。本專利技術的復合材料是一種具有小于1. 3X 10- -1的熱膨脹系數的復合材料。本專利技術的復合材料是基于氧化物和結晶鋰霞石顆粒的燒結陶瓷復合材料。鉀霞石為鋁硅酸鋰，通過首字母縮略詞LAS來廣泛引用，其組成為如下(Li2O) x (Al2O3) y (SiO2) z，其中χ、 y和ζ是氧化鋰Li20、氧化鋁Al2O3和二氧化硅SiO2各自的摩爾分數。β -鋰霞石的各自的摩爾分數如下χ = 1，y = 1和ζ = 2。結晶形式的β -鋰霞石具有的特定特征是具有約-0. 4Χ 10- -1的稍微負的熱膨脹系數，即，當溫度升高時它收縮。結晶形式的鋰霞石的熱膨脹系數取決于成分晶粒大小而變化。熱膨脹系數的變化起源于β -鋰霞石晶粒的斷裂。例如，對于約為7 μ m的晶粒大小可能獲得-6. 1 X KT6IT1的熱膨脹系數，對于約為13 μ m的晶粒大小可能獲得-10. 9 X KT6IT1 的熱膨脹系數(K相當于開爾文)。無定形形式的鋰霞石具有比結晶形式時的鋰霞石更高的熱膨脹系數，所以必須避免。在燒結氧化物基體(其熱膨脹系數是正數)中包含結晶形式的β-鋰霞石的復合材料具有比燒結氧化物基體更低的熱膨脹系數。選擇能夠在β -鉀霞石熔點以下的溫度燒結，且本身具有良好的機械性質的氧化物。通過選擇能夠在β-鋰霞石熔點以下的溫度燒結的氧化物，有可能通過非常簡單的制造方法獲得尺寸穩定性適合于太空領域的光學應用的復合材料。尺寸穩定性適合于太空領域的光學應用的復合材料是一種具有低于1. 3Χ10-6Κ-1的熱膨脹系數的復合材料。有利地，采用如下制造方法。第一粉末共混物由結晶形式的β -鋰霞石粉末和結晶形式的氧化物粉末(具有以上列出的特征)制得。按照所需的最終復合材料的熱膨脹系數調整β -鋰霞石和氧化物的相對比例和晶粒大小。選擇這些條件使得最終復合材料的熱膨脹系數低于1.3X ΙΟ—Ι—1。所需的熱膨脹系數越低，β-鋰霞石的比例越高。同樣地，所需的熱膨脹系數越低，鋰霞石的晶粒大小越大。如果需要將復合材料用作光學組件，則優選以使得最終復合材料的熱膨脹系數低于1. 3X 10- -1且有利地近可能接近零的方式選擇該相對比例。如果需要將復合材料用作結構組件，則優選以將機械性質最大化，并同時仍然保持熱膨脹系數低于1. SXlO-6K-1的方式選擇該相對比例。所獲得的復合材料使制備光學器件，例如望遠鏡成為可能，所述光學器件包括至少一種光學結構和至少一種由同樣的材料制得的光學結構支撐的光學組件。這使獲得熱光學器件成為可能，即一種所有組件以相似方式隨溫度變形的器件。如果需要將復合材料用作在一個且相同的器件內的結構組件(或者基材)和光學組件，有利地將所有組件的熱膨脹系數調節至低于1. 3X10-6K-1的相同單一值。將氧化物與β -鋰霞石共混的步驟是，例如，分散步驟，例如采用旋轉式球磨機。 然后將由此獲得的滑脫物(slip)塑模。因此有可能通過選擇適合的模具形狀而制得各種形狀，如管狀或者簡單板狀。干燥所獲得的復合材料。干燥例如在烘箱內進行。有利地，該干燥步驟在部件脫模后進行。作為一個變體，干燥在分散步驟過程中獲得的滑脫物(例如通過本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種具有低于１．３×１０－６Ｋ－１的熱膨脹系數的復合材料，其特征在于所述復合材料是基于氧化物和β－鋰霞石晶體的燒結陶瓷，并且具有少于約５５重量％的β－鋰霞石含量。

【技術特征摘要】
2010.04.30 FR 10018641.一種具有低于1. 3 X 10- -1的熱膨脹系數的復合材料，其特征在于所述復合材料是基于氧化物和鋰霞石晶體的燒結陶瓷，并且具有少于約陽重量％的鋰霞石含量。2.一種復合材料，其β-鋰霞石的晶粒大小大于約6 μ m。3.一種復合材料，其鋰霞石晶粒有微裂紋。4.如權利要求1所述的復合材料，其中所述氧化物是氧化鋁。5.如前述權利要求所述的復合材料，其中所述氧化物是由燒結納米級氧化鋁晶體獲得。6.如權利要求1所述的復合材料，其中所述氧化物是氧化鋯。7.如權利要求6所述的復合材料，其中所述氧化物是摻雜至少一種四價元素的氧化物的氧化鋯。8.如權利要求7所述的復合材料，其中所述氧化鋯摻雜氧化鈰。9.一種用以太空應用的光學組件，所述組件由如前述任一項權利要求所述的復合材料制成。10.一種用以定位和支撐至少一種用以太空應用的光學組件的結構組件，所述結構組件由如權利要求1至8任一項所述的復合材料制成。11.一種光學器件，其包括如權利要求9所述的光學...

【專利技術屬性】
技術研發人員：L·布朗沙爾，G·凡托齊，A·佩爾唐，H·勒韋龍，J·舍瓦利耶，
申請(專利權)人：泰勒斯公司，國家科學研究中心，
類型：發明
國別省市：FR