一种镁铝榴石单晶体及其制备方法

摘要

本发明公开一种镁铝榴石单晶体及其制备方法，由高纯度、纳米级轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2制成，经溶胶分散及有序混合、机械搅拌、脱水处理后经HPHT工艺进行高温高压合成，所得样品经红酸除杂处理，即可得到呈无色透明状的、粒度均匀的高品质镁铝榴石单晶体。该晶体结晶度>95％，且各向异性好，晶体棱角清楚，晶面平整。本发明所得该镁铝榴石单晶体具有高温稳定性及耐强酸腐蚀性，可望像钇铝榴石一样用于激光窗口元件，以及用于高温工作的特殊半导体材料领域，并增加其在珠宝饰品上的商业价值。本发明首次提出了镁铝榴石的人工合成方法，并填补了以HPHT工艺合成镁铝榴石单晶体的技术空白。

权利要求

1.一种镁铝榴石单晶体的制备方法，其特点在于经过下列各步骤：（1）按下列质量比的原料备料：轻质MgO：γ‑Al2O3 ：SiO2 =（3～7）：（2～6）：（4～10）；

所述轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2的纯度均≥99.5%，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料；

（2）将步骤（1）所备轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2分别以其15～25倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；

（3）将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并搅拌均匀，再加入MgO分散液，搅拌均匀后得到混合液；

（4）将步骤（3）的混合液进行搅拌；

（5）将步骤（4）的混合液进行加热蒸发，待蒸发完成后，继续加热至100～200℃烘焙20分钟，自然冷却后得到合成材料；

（6）将步骤（5）所得的合成材料置于坩埚中，以400～800℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；

（7）将步骤（6）所得合成材料进行高温高压合成，其合成温度为1200～1600℃，压力为

2.5～6Gpa，保持高温高压5～60min，并在10～20min完成降温，即得到合成样品；

（8）将步骤（7）所得合成样品用红酸浸泡1～2小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特点在于：所述步骤（4）的搅拌是以转速2000～

5000转/分进行搅拌10～20分钟。

3.一种镁铝榴石单晶体，其特点在于：根据权利要求1或2所述的制备方法制备而成。

说明书

一种镁铝榴石单晶体及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于新材料加工技术领域，涉及一种镁铝榴石单晶体及其制备方法。

背景技术

[0002] 石榴石是形成于地幔的超基性岩矿，是超基性岩的标志性非稀有性矿物之一，天然石榴石在复杂多变的地质环境中难以形成组成成分固定、内部纯净、结构为单晶体的矿
物，而多以硅酸盐岛状结晶方式存在，故没有特别重要的功能及过高的价值显现，所以人们
还没有像研究金刚石那样去研究、制造和利用它。

[0003] 镁铝榴石是石榴石中的一种，其研究和制造也常被人们忽略。目前，对镁铝榴石单晶的人工合成技术还仍空白，未见报道。

发明内容

[0004] 申请人在一次实验中偶然合成了一种特殊的单晶体，经研究测定为镁铝榴石单晶体，从而填补了人工合成镁铝榴石单晶的空白。

[0005] 本发明通过下列技术方案实现：一种镁铝榴石单晶体，由轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2制成。

[0006] 进一步地，一种镁铝榴石单晶体，由下列质量比的原料制成：

[0007] 轻质MgO：γ‑Al2O3：SiO2＝(3～7)：(2～6)：(4～10)。

[0008] 所述轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2的纯度均≥99.5％，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料。

[0009] 本发明的另一目的在于提供一种镁铝榴石单晶体的制备方法，经过下列各步骤：

[0010] (1)按下列质量比的原料备料：

[0011] 轻质MgO：γ‑Al2O3：SiO2＝(3～7)：(2～6)：(4～10)；

[0012] (2)将步骤(1)所备轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2分别以其15～25倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；

[0013] (3)将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并搅拌均匀，再加入MgO分散液，搅拌均匀后得到混合液；

[0014] (4)将步骤(3)的混合液进行搅拌；

[0015] (5)将步骤(4)的混合液进行加热蒸发，以去除水分，待蒸发完成后，继续加热至100～200℃烘焙20分钟，自然冷却后得到合成材料；

[0016] (6)将步骤(5)所得的合成材料置于坩埚中，以400～800℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；

[0017] (7)将步骤(6)所得合成材料进行高温高压(HPHT)合成，其合成温度为1200～1600℃，压力为2.5～6Gpa，保持高温高压5～60min，并在10～20min完成降温，即得到合成样品；

[0018] (8)将步骤(7)所得合成样品用红酸(逆王水)浸泡1～2小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。所得镁铝榴石单晶体呈无色透明状，粒度为0.2～1mm，颗粒
粒度较均匀。

[0019] 所述步骤(4)的搅拌是以转速2000～5000转/分进行搅拌10～20分钟。

[0020] 本发明采用轻质MgO、γ‑Al2O3、SiO2的纳米粉，均有共同的物理化学性质，即三种氧化物是非晶质相态，都有高温超高压共结晶性质；本发明采用的HPHT工艺也模拟了地幔
高温高压的成矿条件，因此最终制得组成复杂的镁铝榴石单晶体。

[0021] 本发明具备的优点及效果：本发明首次提出了镁铝榴石的人工合成方法，并填补了以HPHT工艺合成镁铝榴石单晶体的技术空白。本发明所得的产品经X射线多晶衍射分析，
如图1所示，其分析结果与数据库中Mg3Al2(SiO4)3的谱图衍射峰均一一对应，经X射线衍射
的结晶度>95％，且各向异性好，确定产品为镁铝榴石单晶体。经电镜对晶体形状的观察，如
图2显示，是晶形对称完整的凸多面体，且晶体棱角清楚，晶面平整。本发明利用三种氧化物
原料均为非水溶性、且在水溶胶体系中互不反应的特点，分别经分散成溶胶后，再有序混合
加机械搅拌打磨处理，实现原料的最高效物理混合，使其形成晶态的各粒子(分子团)粒径
最小，处于最佳可无限延伸对称位，进而也提高了合成镁铝榴石单晶体的品质。

[0022] 本发明所得该镁铝榴石单晶体具有高温稳定性及耐强酸腐蚀性，可望像钇铝榴石一样用于激光窗口元件，以及用于高温工作的特殊半导体材料领域，并增加其在珠宝饰品
上的商业价值。此外，目前HPHT合成设备的主要产品是金刚石，本发明的提出也扩大了HPHT
合成设备的生产范围，增加社会经济效益。

附图说明

[0023] 图1为本发明所得晶体的X射线多晶衍射分析谱图；

[0024] 图2为本发明所得某粒镁铝榴石单晶体的电镜图像。

具体实施方式

[0025] 下面结合实施例对本发明做进一步说明。

[0026] 实施例1

[0027] (1)称取下列质量的原料：

[0028] 轻质MgO 3.0g、

[0029] γ‑Al2O3 2.5g、

[0030] SiO2 4.5g；

[0031] 所述轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2的纯度均为99.9％的，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料。其中，SiO2的供应商为上海超威纳米科技有限公司，轻质MgO和γ‑Al2O3的供应商
为上海巷田纳米科技有限公司。

[0032] (2)将步骤(1)所备轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2分别置于烧杯中，并以其20倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；

[0033] (3)将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并不断用玻棒搅拌不少于5分钟直至均匀，再加入MgO分散液，不断用玻棒搅拌不少于5分钟直至均匀，得到混合液；

[0034] (4)将步骤(3)的混合液置于搅拌器中，以转速3000转/分进行搅拌15分钟；

[0035] (5)将步骤(4)的混合液置于烧杯中，并以酒精灯进行加热蒸发，以去除水分，期间不断用玻棒搅拌，防止附壁，待蒸发完成后，继续加热至150℃烘焙20分钟，自然冷却后得到
合成材料；

[0036] (6)将步骤(5)所得的合成材料置于洁净的坩埚中，以600℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；

[0037] (7)将步骤(6)所得合成材料进行高温高压(HPHT)合成：本例使用桂林桂冶重工股份有限公司的型号为6X14MN的六面顶HPHT机，该设备具有全自动温压控制调节系统，高压
合成腔能达到6.0GPa以上，合成腔体腔径 使用与HPHT机的合成腔大小和形状一
致的模具，将合成材料快速装入模具中，减少吸湿，并以400MPa进行成型致密化处理；设定
合成温度为1550℃，压力为6.0Gpa，保持高温高压15min，并在10min完成降温，即得到合成
样品；

[0038] (8)将步骤(7)所得合成样品用红酸(逆王水)浸泡2小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。

[0039] 本例所得镁铝榴石单晶体呈无色透明状，粒度为0.2～1.0mm，约1200粒，大部分颗粒粒度集中在0.5～0.6mm，大部分颗粒粒度较均匀。

[0040] 实施例2

[0041] (1)称取下列质量的原料：

[0042] 轻质MgO 2.4g、

[0043] γ‑Al2O3 1.6g、

[0044] SiO2 3.2g；

[0045] 所述轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2的纯度均为99.9％以上的，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料。其中，SiO2的供应商为上海超威纳米科技有限公司，轻质MgO和γ‑Al2O3的供
应商为上海巷田纳米科技有限公司。

[0046] (2)将步骤(1)所备轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2分别置于烧杯中，并以其15倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；

[0047] (3)将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并不断用玻棒搅拌不少于5分钟直至均匀，再加入MgO分散液，不断用玻棒搅拌不少于5分钟直至均匀，得到混合液；

[0048] (4)将步骤(3)的混合液置于搅拌器中，以转速2000转/分进行搅拌20分钟；

[0049] (5)将步骤(4)的混合液置于烧杯中，并以酒精灯进行加热蒸发，以去除水分，期间不断用玻棒搅拌，防止附壁，待蒸发完成后，继续加热至100℃烘焙20分钟，自然冷却后得到
合成材料；

[0050] (6)将步骤(5)所得的合成材料置于洁净的坩埚中，以400℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；

[0051] (7)将步骤(6)所得合成材料进行高温高压(HPHT)合成：本例使用桂林桂冶重工股份有限公司的型号为6X14MN的六面顶HPHT机，该设备具有全自动温压控制调节系统，高压
合成腔能达到6.0GPa以上，合成腔体腔径 使用与HPHT机的合成腔大小和形状一
致的模具，将合成材料快速装入模具中，减少吸湿；设定合成温度为1200℃，压力为2.5Gpa，
保持高温高压60min，并在20min完成降温，即得到合成样品；

[0052] (8)将步骤(7)所得合成样品用红酸(逆王水)浸泡1小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。

[0053] 本例所得镁铝榴石单晶体呈无色透明状，粒度为0.3～1.0mm，约800粒，大部分颗粒粒度集中在0.7～0.8mm，大部分颗粒粒度较均匀。

[0054] 实施例3

[0055] (1)称取下列质量的原料：

[0056] 轻质MgO 2.1g、

[0057] γ‑Al2O3 1.8g、

[0058] SiO2 3.0g；

[0059] 所述轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2的纯度均为99.5％的，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料。

[0060] (2)将步骤(1)所备轻质MgO、γ‑Al2O3和SiO2分别置于烧杯中，并以其20倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；

[0061] (3)将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并搅拌均匀，再加入MgO分散液，搅拌均匀，得到混合液；

[0062] (4)将步骤(3)的混合液置于搅拌器中，以转速5000转/分进行搅拌10分钟；

[0063] (5)将步骤(4)的混合液进行加热蒸发，以去除水分，待蒸发完成后，继续加热至200℃烘焙20分钟，自然冷却后得到合成材料；

[0064] (6)将步骤(5)所得的合成材料置于洁净的坩埚中，以800℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；

[0065] (7)将步骤(6)所得合成材料进行高温高压(HPHT)合成：设定合成温度为1600℃，压力为2.5Gpa，保持高温高压5min，并在18min完成降温，即得到合成样品；

[0066] (8)将步骤(7)所得合成样品用红酸(逆王水)浸泡2小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。

[0067] 本例所得镁铝榴石单晶体呈无色透明状，粒度为0.2～0.6mm，约500粒，大部分颗粒粒度集中在0.3～0.4mm，大部分颗粒粒度较均匀。