不同摻雜濃度對(duì)Al2O3Cr光電特性的影響畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、分類號(hào)：分類號(hào)：tn305.3 u d c：d10621-408-(2011)2925-0密密 級(jí)：公級(jí)：公 開開 編編 號(hào)：號(hào)：2007033040成成 都都 信信 息息 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院學(xué)學(xué) 位位 論論 文文不同摻雜濃度對(duì)不同摻雜濃度對(duì) al2o3:cr 光電特性的影響光電特性的影響論論文作者姓名：文作者姓名：申申請(qǐng)請(qǐng)學(xué)位學(xué)位專業(yè)專業(yè)： ：應(yīng)應(yīng)用物理學(xué)用物理學(xué)申申請(qǐng)請(qǐng)學(xué)位學(xué)位類別類別： ：工學(xué)學(xué)士工學(xué)學(xué)士指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師姓姓名名（ （職職稱稱） ）： ：論論文提交日期：文提交日期：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人

2、鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用

3、影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位學(xué)位論論文原文原創(chuàng)創(chuàng)性聲明性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位學(xué)位論論文版文版權(quán)權(quán)使用授使用授權(quán)書權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論

4、文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日不同摻雜濃度對(duì)不同摻雜濃度對(duì) al2o3:cr 光電特性的影響光電特性的影響摘摘 要要氧化鋁陶瓷具有絕緣、高機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫的性質(zhì)，氧化鋁也可做成透明陶瓷、生物惰性陶瓷等功能材料。本文介紹了摻cr氧化鋁陶瓷的制備流程，采用固相燒結(jié)法制備了3組濃度分別為0.641wt%、3.258wt%、6.635wt%的cr摻雜al2o3樣品，通過(guò)x射線衍射儀(x

5、rd)、熒光分光光度計(jì)、四探針測(cè)試儀的測(cè)試，分析了摻雜不同濃度cr對(duì)氧化鋁陶瓷光學(xué)、電學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)3組樣品都顯示出上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性；cr3+摻雜濃度越高，樣品的熒光發(fā)射強(qiáng)度越低；在400500nm激發(fā)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，0.641wt%樣品共測(cè)得5個(gè)發(fā)射峰，其中691nm處的發(fā)射峰最尖銳，3.258wt%樣品也在691nm處測(cè)得發(fā)射峰，6.635wt%樣品在220320nm激發(fā)波長(zhǎng)范圍內(nèi)在356nm和709nm處有發(fā)射峰；提高cr3+的摻雜濃度可降低al2o3的燒結(jié)溫度；燒結(jié)后樣品的致密度在3.258wt%的摻雜濃度處最??；摻雜濃度對(duì)晶面間距的影響甚微；隨著摻雜濃度的增加，樣品的平均電阻率呈逐

6、漸降低的趨勢(shì)。迄今發(fā)現(xiàn)利用氧化鋁制成的陶瓷具有許多優(yōu)異性能，使氧化鋁陶瓷逐漸成為研究熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：al2o3陶瓷；cr摻雜；濃度；固相燒結(jié)法；光電特性the influence of various doping concentration on photoelectric properties of al2o3: crabstractalumina ceramics has high mechanical strength, insulation, high temperature resistant properties, also can make it as function m

7、aterial like transparent alumina ceramic, biological inert ceramics, and so on. in this article, the preparation of alumina ceramics doped with cr process have been described and a concentration of three groups, namely, 0.641wt%, 3.258wt% and 6.635wt% of the cr doped al2o3 sample have been prepared.

8、 through x-ray diffraction (xrd), four-probe meter test and spectrofluorophotometer, it analyzes optical properties and electrical properties of doping cr with alumina ceramics. three samples show that up-conversion luminescence properties. the higher cr3+ doped concentration, the lower fluorescence

9、 emission intensity. in the excitation wavelength 400 500nm range, 0.641wt% sample has five emission peaks. there are the most strong emission peaks of both 0.641wt% and 3.258wt% at 691nm. two emission peaks of the 6.635wt% sample are, respectively, 356nm and 709nm, in excitation wavelength range 22

10、0 320nm. increasing the concentration of cr3+ in al2o3 can reduce the sintering temperature. sintered density of samples increased with the concentration is not monotonously increasing, however, there is a minimum among three doping concentrations. with doping concentration increasing, the impact of

11、 spacing is almost unchanged. with the doping concentration increasing, the average resistivity of the samples is showing downward trends. so far found the ceramic made of alumina has many excellent performances, alumina ceramics gradually become a hotspot.key words: al2o3 ceramic; cr doped; concent

12、ration; solid phase sintering; optical properties目目 錄錄論文總頁(yè)數(shù)：19 頁(yè)1 引言.12 氧化鋁陶瓷.12.1 氧化鋁晶體結(jié)構(gòu) .22.2 氧化鋁的物理性能 .22.3 氧化鋁陶瓷中添加劑的作用及機(jī)理 .23 氧化鋁陶瓷的制備工藝過(guò)程.33.1 原料及其加工工藝 .33.2 配料計(jì)算 .33.3 備料工藝 .33.3.1 原料的煅燒.33.3.2 熔塊合成.43.3.3 粉料的制備.43.3.4 漿料壓濾、困料.53.3.5 干燥、加黏合劑和造粒.53.4 成型 .63.5 排膠 .73.6 燒結(jié) .73.6.1 升溫階段.83.6.2 保

13、溫階段.83.6.3 冷卻階段.84 樣品的制備.84.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 .84.2 摻鉻氧化鋁陶瓷的制備 .95 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析.105.1 發(fā)射光譜與激發(fā)光譜 .105.1.1 燒結(jié)后每組樣品的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜.105.1.2 不同濃度樣品的發(fā)射光譜與分析.125.2 x 射線衍射分析.135.2.2 晶胞參數(shù)的計(jì)算與分析.145.2.3 晶面間距的分析.155.3 四探針測(cè)試樣品電阻率 .16結(jié) 論.16參考文獻(xiàn).17致 謝.18聲 明.19第 1 頁(yè) 共 19 頁(yè)1 引言引言陶瓷是以粉體為原料，通過(guò)成型和燒結(jié)等所制得的無(wú)機(jī)非金屬材料制品的統(tǒng)稱。新型無(wú)機(jī)材料不僅熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好

14、、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損，而且一些特殊陶瓷還具備一些特殊的物理性能。甚至在有些情況下，陶瓷是唯一能選用的材料。目前，陶瓷材料、金屬材料和高分子材料被稱為三大固體材料1。2000年，murotani等2制備了摻cr3+的al2o3多晶陶瓷，但其氣孔率高達(dá)24%，材料不透明。2005年，曾智江等3采用傳統(tǒng)無(wú)壓燒結(jié)工藝制備出透明性良好的摻cr3+氧化鋁陶瓷，并測(cè)定了其吸收光譜、發(fā)射光譜和激發(fā)光譜、結(jié)果表明cr：al2o3陶瓷吸收峰與紅寶石單晶一致，吸收截面大小與紅寶石單晶相近；陶瓷中cr3+離子所處格位的晶場(chǎng)強(qiáng)度較紅寶石單晶弱，但其發(fā)射譜仍相當(dāng)尖銳。該成果可以降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、制造大尺

15、寸和形狀復(fù)雜的樣品等4。本課題是在曾智江等人所做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入cr3+摻雜濃度這一變量，采用固相燒結(jié)法制備3組濃度分別為0.641wt%、3.258wt%、6.635wt%的cr摻雜al2o3陶瓷，利用熒光分光光度計(jì)和四探針測(cè)試儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，并研究摻雜濃度對(duì)al2o3陶瓷的光學(xué)性能和電學(xué)性能的影響。另外，使用x射線衍射儀(xrd)研究摻雜濃度對(duì)al2o3陶瓷晶格參數(shù)的影響。如今，研究al2o3陶瓷在透明、耐高溫、上轉(zhuǎn)換發(fā)光等方面的應(yīng)用很多，遺憾的是至今尚未有研究cr摻雜濃度對(duì)氧化鋁陶瓷的光電特性的影響的報(bào)道，此課題恰好可以填補(bǔ)這方面的空白；亦可為旨在提高氧化鋁陶瓷光電特性的研究提供實(shí)驗(yàn)

16、依據(jù)。2 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷至今是一種重要的陶瓷材料，其主要原料是氧化鋁(al2o3)。氧化鋁透明陶瓷，不僅透近紅外還透可見光。透明陶瓷與玻璃相比，具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性以及更好的抗表面損壞性能；與單晶相比，制備溫度低、生產(chǎn)周期短，而且在大尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上比單晶更容易實(shí)現(xiàn)。這些優(yōu)異的性能使透明陶瓷逐漸成為研究熱點(diǎn)5。氧化鋁陶瓷由于機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣強(qiáng)度大，用作真空器件、裝置瓷、厚膜和薄膜電路基板、可控硅和外殼、電火花等6。氧化鋁陶瓷是重要的耐火材料，主要用于制作內(nèi)燃機(jī)的火花塞、火箭、導(dǎo)彈流罩、軸承、活塞、切削工具，石油及化工用泵的密封環(huán)，熔化金屬的坩堝及高溫?zé)犭娕继坠艿?。氧化鋁陶

17、瓷還是主要的生物惰性陶瓷材料，這類材料在生物體內(nèi)幾乎不發(fā)生變化，有良好的生物相容性7。此外，稀土摻雜氧化鋁粉末在光學(xué)高溫傳感方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)用潛力8。第 2 頁(yè) 共 19 頁(yè)2.1 氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)al2o3陶瓷是以 -al2o3為主晶相的陶瓷材料，其同素異構(gòu)體有十多種，常用的有 -al2o3，-al2o3，-al2o3三種。al2o3的晶體結(jié)構(gòu)不同其性能也不相同。-al2o3屬于尖晶石型（立方）結(jié)構(gòu)，氧原子呈立方緊密堆積，鋁原子填充在間隙中。-al2o3密度小，高溫不穩(wěn)定，可以轉(zhuǎn)化為 -al2o3，密度隨加熱溫度升高而發(fā)生變化，圖 2-1 為-al2o3加熱時(shí)的密度變化。工業(yè)a

18、l2o3中絕大多數(shù)是 -al2o3。在自然界中 -al2o3不存在。其結(jié)構(gòu)松散，機(jī)電性能較差，但可以用來(lái)制作多孔特殊用途的材料。-al2o3并不是 al2o3的變體，而是一種含量很高的鈉的多鋁酸鹽礦物，化學(xué)式為 na2o11al2o3，密度 3.25g/cm3?？諝庵屑訜?1600c 開始轉(zhuǎn)變?yōu)?-al2o3。-al2o3呈三方晶系，單晶體也稱剛玉，室溫下結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。其中氧離子占密排六方介電位置，鋁離子配置在氧離子組成的八面體間隙中，但只填 2/3，如圖 2-2。鋁離子的排列要滿足鋁離子之間的間距最大，因此每三個(gè)相鄰的八面體間隙，就有一個(gè)是有規(guī)律地空著。每個(gè)晶胞有 6 個(gè)氧離子、4 個(gè)鋁離子。

19、2.2 氧化鋁的物理性能氧化鋁的物理性能純的 al2o3是無(wú)色的氧化物（白寶石） ，含有 cr 為紅色（紅寶石） ，含 ti為藍(lán)色（藍(lán)寶石） ，含 co、ni、v 為綠色（綠寶石） ，含 fe 和 mn 時(shí)為玫瑰紅色等。熔點(diǎn) 2050c，莫氏硬度為 9，密度 3.954.10g/cm3，膨脹系數(shù)與金屬相當(dāng)；不溶于酸，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、介電性能和機(jī)械性能。-al2o3的禁帶寬度為 2.5ev，接近半導(dǎo)體的禁帶寬度；-al2o3的禁帶寬度為 7.37.8ev，所以是很好的絕緣材料。2.3 氧化鋁陶瓷中添加劑的作用及機(jī)理氧化鋁陶瓷中添加劑的作用及機(jī)理就提高燒結(jié)性能而言，氧化物添加劑大致分為兩類：

20、與 al2o3形成固溶體、圖 2-1 -al2o3加熱時(shí)密度變化曲線+emptyhaleal3+o2-圖 2-2 -al2o3晶體結(jié)構(gòu)第 3 頁(yè) 共 19 頁(yè)與 al2o3生成液相。第一類為變價(jià)氧化物，如 tio2、cr2o3、mno2等。由于其晶格常數(shù)與al2o3接近，因此通常能與 al2o3形成固溶體。同時(shí)由于變價(jià)作用而使 al2o3產(chǎn)生缺陷，活化晶格，促進(jìn)了 al2o3的燒結(jié)性能，降低燒結(jié)溫度。第二類由于生成液相，降低燒結(jié)溫度而促進(jìn)了 al2o3的燒結(jié)。3 氧化鋁陶瓷的制備工藝過(guò)程氧化鋁陶瓷的制備工藝過(guò)程氧化鋁陶瓷的制備過(guò)程一般包括原料處理和加工、備料、成型、燒結(jié)。3.1 原料及其加工工

21、藝原料及其加工工藝本實(shí)驗(yàn)原料為工業(yè)氧化鋁，主要晶型為低溫下十分穩(wěn)定的 -al2o3。原料為松散的白色結(jié)晶粉末，每個(gè)粉末顆粒由許多小粒徑晶體組成，為多孔球形聚集體。每個(gè)顆粒中可包含 106個(gè)小晶體。顆粒內(nèi)部的氣孔占整個(gè)體積的 1/41/3。這種多孔的疏松結(jié)構(gòu)，不利于 al2o3晶體的相互接觸，因而不利于燒結(jié)，要想便于燒結(jié)還需要添加劑的輔助。3.2 配料計(jì)算配料計(jì)算在陶瓷研究中配料計(jì)算有兩種，一種是已知預(yù)合成的化合物化學(xué)計(jì)算式計(jì)算原料配比，一種是從瓷料預(yù)期的化學(xué)組成計(jì)算原料配比。本課題選用前一種，下面簡(jiǎn)單介紹其計(jì)算步驟：1) 根據(jù)配方計(jì)算各原料的摩爾比；2) 按原料純度進(jìn)行修正。將各原料的摩爾比除

22、以該原料的純度，得到各原料的修正值；3) 計(jì)算各原料的質(zhì)量；4) 計(jì)算質(zhì)量百分比。質(zhì)量百分比等于各原料的質(zhì)量除以總質(zhì)量；5) 計(jì)算配料為 x 克時(shí)，各原料所需質(zhì)量。必須注意：配料計(jì)算雖然簡(jiǎn)單，但必須仔細(xì)、準(zhǔn)確，因?yàn)檫@是制造性能優(yōu)良的陶瓷元器件的基礎(chǔ)。同樣，在稱量、加料時(shí)，也應(yīng)保證準(zhǔn)確地按計(jì)算的配料實(shí)施。因此，在稱量之前原料必須進(jìn)行干燥，除去其中的水分。一般在 110c 干燥 4h 以上，或者降低干燥溫度延長(zhǎng)干燥時(shí)間。選擇稱量工具時(shí)應(yīng)按精度需要合理選擇。稱量時(shí)應(yīng)盡量做到迅速、準(zhǔn)確。3.3 備料工藝備料工藝備料工藝包括原料按給定配比稱量、混磨、干燥、加黏合劑、造粒，制成符合成型工藝要求的粉料。原料

23、稱量前，需要進(jìn)行干燥處理、過(guò)篩，有些則需要預(yù)合成、煅燒等，以制成符合要求的化學(xué)組成或晶體結(jié)構(gòu)的原料。3.3.1 原料的煅燒原料的煅燒al2o3有多種晶型結(jié)構(gòu)，晶型結(jié)構(gòu)之間相互轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致體積變化，影響燒結(jié)。第 4 頁(yè) 共 19 頁(yè)因此，制備氧化鋁陶瓷時(shí)要對(duì) al2o3進(jìn)行煅燒，使 -al2o3轉(zhuǎn)變?yōu)?-al2o3。溫度當(dāng)達(dá)到 1050c 時(shí)，-al2o3開始轉(zhuǎn)變?yōu)?-al2o3。剛開始轉(zhuǎn)化很慢，但隨著溫度升高，轉(zhuǎn)化速率加快，到 1500c 時(shí)轉(zhuǎn)化近于完成，并有一定體積收縮。為了強(qiáng)化此過(guò)程，可適量加入 h3bo3、nh4f、alf3等。-al2o3在其熔點(diǎn)下都是穩(wěn)定的。工業(yè)氧化鋁中含有較多的 na

24、2o，為了降低原料中堿金屬的含量，可加入1%3%的 h3bo3，并在 14201450c 煅燒，此時(shí)，堿金屬離子與 h3bo3反應(yīng)并揮發(fā)掉。通過(guò)煅燒可減少燒結(jié)時(shí)坯體的收縮，提高粉體的活性，還能除去al2o3原料中的 na2o，提高原料純度。3.3.2 熔塊合成熔塊合成化工原料多是單成分的化合物，但在許多生產(chǎn)過(guò)程中需要多種成分的原料。這種合成材料通常需要經(jīng)過(guò) 8001300c 的高溫煅燒，煅燒后的材料稱為燒塊。合成過(guò)程大多是固相反應(yīng)。合成燒塊的溫度選擇很重要。溫度過(guò)低，反應(yīng)不充分，主晶相質(zhì)量不好；溫度過(guò)高，燒塊變硬，不易粉碎，活性降低，使燒成溫度升高和變窄。根據(jù)試驗(yàn)，確定合適的煅燒溫度。合成燒塊

25、時(shí)，必須控制有害的游離成分。游離成分過(guò)多會(huì)給工藝操作造成困難并嚴(yán)重影響樣品的性能。3.3.3 粉料的制備粉料的制備為了改善氧化鋁陶瓷材料的性能、降低燒結(jié)溫度、提高樣品質(zhì)量，粉料應(yīng)盡量高純、均勻、超細(xì)。粉料的制備方法包括機(jī)械加工法（也稱固相法） ，液相法和氣相法。由于操作簡(jiǎn)單易用，目前主要采用機(jī)械加工法。下面簡(jiǎn)要介紹機(jī)械粉碎的原理和方法。1) 球磨。球磨是最常用的一種粉碎、混合方法。將原料和磨球裝在一個(gè)圓筒形容器球磨罐中。球磨罐旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)球撞擊和研磨原料，達(dá)到粉碎的目的。一般來(lái)說(shuō)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速越大，粉碎效率越高。但當(dāng)磨機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)就會(huì)失去粉碎作用。磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速可用下式計(jì)算：(3-1)d

26、nddnd40,m25.1;35,m25.1時(shí)時(shí)式中，n 為球磨機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；d 為球磨罐的內(nèi)徑(m)。上式為經(jīng)驗(yàn)公式，式中常數(shù)由試驗(yàn)確定。影響粉碎和混合效率的因素有以下 7 個(gè)： 球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇略低于臨界轉(zhuǎn)速； 球磨機(jī)內(nèi)磨球大小的配比、磨球形狀、硬度、質(zhì)量。磨球的大小應(yīng)配合適當(dāng)，最大直徑在 d/18d/24 之間，最小直徑為 d/40； 球磨機(jī)裝載量。一般，裝載原料量占球磨機(jī)容積的 70%80%較好； 球、料、水之比。三者之比根據(jù)原料的吸水性，原料的顆粒大小和磨機(jī)裝載量的不同而異。通常的比例為球：料：水=(11.4)：1：(0.81.2)； 助磨劑的影響。當(dāng)原料研磨至一定細(xì)

27、度后，繼續(xù)研磨，效率將顯著降低，第 5 頁(yè) 共 19 頁(yè)這是因?yàn)橐逊鬯榈募?xì)粉對(duì)大顆粒的粉碎起緩沖作用，較大顆粒難于進(jìn)一步粉碎。為了提高研磨效率，使物料達(dá)到預(yù)期的細(xì)度，需加入助磨劑，常用的有油酸和醇類。本實(shí)驗(yàn)使用的是聚乙二醇 2000。 分散介質(zhì)的影響。球磨分為干法和濕法兩種。干法不加分散介質(zhì)，主要靠球的沖擊力粉碎物料。濕法需加水或乙醇等作為分散介質(zhì)，主要靠球的研磨作用進(jìn)行粉碎。由于水或其他分散介質(zhì)的劈裂作用，濕磨效率比干磨要高。通常用水做分散介質(zhì)，若原料中有水溶性物質(zhì)，可采用乙醇等其他液體作為分散介質(zhì)。 球磨時(shí)間的選擇。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，球磨效率降低，細(xì)度的增加也十分緩慢。長(zhǎng)時(shí)間球磨還會(huì)引入

28、較多雜質(zhì)。因此，球磨時(shí)間應(yīng)在滿足適當(dāng)細(xì)度的條件下盡量縮短。例如，混料為 48h，細(xì)磨為 2040h 等。在球磨過(guò)程中不可避免地要引入雜質(zhì)。為了減少雜質(zhì)污染，一般可采取的措施有：球磨時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)；球磨罐要鑲襯里（可用瓷瓦、橡皮或耐磨塑料等，小球磨可用尼龍罐、塑料罐等） ；球可用鵝卵石、燧石、瑪瑙等，也可用人造的瓷球（如氧化鋁瓷球，或與原料組成近似的瓷球） 。對(duì)于耐酸原料，若用鋼球或鋼制球磨罐，球磨后原料需要進(jìn)行酸洗除鐵。細(xì)粉碎、混合均勻和防污染是功能陶瓷備料工序必須考慮和研究的重要問(wèn)題。2）行星磨。行星磨也叫微粒球磨機(jī)。四只一樣重的球磨罐置于同一旋轉(zhuǎn)的圓盤上，使球磨罐“公轉(zhuǎn)” ，各個(gè)球磨罐又繞自

29、身軸線“自轉(zhuǎn)” ，如圖3-1。當(dāng)公轉(zhuǎn)速率足夠大時(shí)，離心力大大超過(guò)地心引力，自轉(zhuǎn)角速度也相應(yīng)提高，磨球不至于貼附罐壁不動(dòng)，從而克服了舊式球磨機(jī)之臨界轉(zhuǎn)速的限制，大大提高了研磨效率。粉碎細(xì)度優(yōu)于球磨，粉碎時(shí)間一般 1.53h。3.3.4 漿料壓濾、困料漿料壓濾、困料工業(yè)生產(chǎn)上一般采用壓濾的方法除去濕法細(xì)磨漿料中的水。在壓濾機(jī)（又稱榨泥機(jī)）上進(jìn)行壓濾。壓力越大，泥餅含水量越小。壓濾出來(lái)的泥餅通常是外硬內(nèi)軟，水分分布不均勻。因此，必須把這種泥餅放在不見日光、空氣不流通的室內(nèi)或密閉容器內(nèi)，保持一段時(shí)間，這種操作稱困料或陳腐。困料室內(nèi)溫度應(yīng)保持在 20c 左右，相對(duì)濕度要求在80%90%。坯料在困置過(guò)程中

30、，在毛細(xì)管的作用下，水分分部漸趨均勻。同時(shí)，坯料中有機(jī)物的腐爛作用可提高坯料的可塑性。坯料困置時(shí)間越長(zhǎng)，水分分布就越均勻，其成型性也就越好。一般困料時(shí)間為 1020 天。1圖 3-1 行星磨原理2第 6 頁(yè) 共 19 頁(yè)3.3.5 干燥、加黏合劑和造粒干燥、加黏合劑和造粒為了利于燒結(jié)和固相反應(yīng)的進(jìn)行，原料顆粒應(yīng)越細(xì)越好。但是，粉料越細(xì)，流動(dòng)性越不好；此外，比表面積增大，粉料占的體積也大，干壓成型時(shí)就不能均勻地填充模具的每個(gè)角落，容易造成空洞，邊角不致密，層裂，彈性后效等問(wèn)題。使細(xì)粉料變粗的唯一辦法就是造粒。造粒工藝是將已經(jīng)磨得很細(xì)的粉料，經(jīng)干燥、加黏合劑，做成流動(dòng)性好的較粗的顆粒（粒徑約 0.

31、1mm） 。造粒工藝大致分為加壓造粒法和噴霧干燥造粒法。加壓造粒是將混合了黏合劑的粉料預(yù)壓成塊，然后再粉碎過(guò)篩。該法造出的顆粒體積密度大，機(jī)械強(qiáng)度高。加壓造粒的工藝條件是：預(yù)壓壓力為17.65mpa，用破碎機(jī)搗碎，過(guò) 8 目粗篩，篩余后的物料返回破碎機(jī)繼續(xù)破碎；再過(guò) 40 目篩，篩余物料仍應(yīng)壓碎，使全部物料通過(guò) 40 目篩后，再過(guò)一次 40 目篩，使物料顆粒度均勻。噴霧干燥造粒法是把混合好黏合劑的粉料做成料漿，或是在細(xì)磨工藝時(shí)加好黏合劑，用噴霧器噴入造粒塔中霧化。霧滴與塔中的熱氣混合，使霧滴干燥成干粉，由旋風(fēng)分離器吸入料斗。這種方法可得到流動(dòng)性好的球狀團(tuán)粒，產(chǎn)量大，適合連續(xù)化生產(chǎn)和自動(dòng)化成型工

32、藝。造粒的好壞與料漿的粘度、噴嘴壓力和濕度等因素有關(guān)。3.4 成型成型大多數(shù)坯料很少含黏土甚至不含黏土，因此，坯料大多數(shù)是非可塑性的。為了滿足成型要求，坯料中一般要加黏合劑。黏合劑的種類和加入量由成型方法、原料性質(zhì)、制品的形狀、大小等因素決定。黏合劑是具有黏結(jié)特性的有機(jī)化合物。它的作用是增加坯料的可塑性和提高坯體的強(qiáng)度。它應(yīng)滿足以下要求：1) 要有足夠的黏性，以保證良好的成型性和坯體的機(jī)械強(qiáng)度；2) 經(jīng)高溫煅燒能全部揮發(fā)，坯體中不留或少留黏合劑殘余雜質(zhì)；3) 工藝簡(jiǎn)單，沒有腐蝕性，對(duì)瓷料性能無(wú)不良影響。常用的成型方法有擠制成型、干壓成型、熱壓鑄成型、注漿成型、軋膜成型、等靜壓成型、熱壓成型和流

33、延成型等。下面簡(jiǎn)要介紹一下干壓成型。干壓成型是廣泛應(yīng)用的一種成型方法。該方法生產(chǎn)效率高，易于自動(dòng)化，制品燒成收縮率小，不易形變。但該法只適用于簡(jiǎn)單瓷件的成型，如圓片形等，且對(duì)模具質(zhì)量要求較高?？刂聘蓧撼尚偷呐髁虾亢苤匾话阍?4%8%左右。為了提高坯料成型時(shí)的流動(dòng)性、增加顆粒間的結(jié)合力，提高坯體的機(jī)械強(qiáng)度，通常需要加入黏合劑，并進(jìn)行造粒。干壓常用黏合劑有石蠟，酚醛清漆，第 7 頁(yè) 共 19 頁(yè)聚乙烯醇水溶液，水、油酸、煤油混合物，亞硫酸紙漿廢液，苯膠。本實(shí)驗(yàn)用的黏合劑為濃度為 5%的聚乙烯醇水溶液(pva)。干壓成型應(yīng)注意以下工藝問(wèn)題：1) 加壓方式。加壓方式有單面加壓和雙面加壓兩種。單

34、面加壓時(shí)，直接受壓一端的壓力大，密度大；遠(yuǎn)離加壓一端的壓力小，坯體密度也小。雙面加壓時(shí)，坯體兩端直接受壓，因此，兩端密度大，中間密度小。如果坯料經(jīng)過(guò)造粒、加潤(rùn)滑劑，再進(jìn)行雙面加壓，則坯體密度非常均勻。2) 成型壓力。成型壓力的大小直接影響瓷坯的密度和收縮率。成型壓力小，瓷體收縮大。壓力過(guò)大，坯體容易出現(xiàn)裂紋、分層和脫模困難等現(xiàn)象。成型壓力一般在 5.88414.710mpa 之間。3) 加壓速度和時(shí)間。干壓成型時(shí)，壓模下降的速度緩慢一些為好。加壓速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致坯體分層，表面致密中間松散，甚至在坯體中存在許多氣泡。因此，加壓速度宜緩，而且要有一定的保壓時(shí)間。3.5 排膠排膠al2o3陶瓷成型時(shí)多

35、采用有機(jī)黏合劑，在煅燒時(shí)，有機(jī)黏合劑從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或氣態(tài)，從坯體中排出。有機(jī)黏合劑在坯體中大量熔化、分解、揮發(fā)，會(huì)導(dǎo)致坯體變形、開裂，因此，需要先將坯體中的黏合劑排除干凈，然后再進(jìn)行樣品的燒結(jié)，以保證產(chǎn)品的形狀、尺寸和質(zhì)量要求。排除黏合劑的工藝稱為排膠。其作用有 3 個(gè)：1) 排除坯體中的黏合劑，為下一步燒結(jié)創(chuàng)造條件；2) 使坯體獲得一定的機(jī)械強(qiáng)度；3) 避免黏合劑在燒結(jié)時(shí)的還原作用。干壓坯件的排膠工藝。非塑性物料的膜片成型都含有大量黏合劑，燒結(jié)前應(yīng)整形、排膠。整形在烘箱中進(jìn)行。將沖成的坯片，以 810 片一疊，疊放整齊，壓在光滑平整的鋼板或玻璃之間，也可在專門設(shè)計(jì)的整形夾具中夾緊，放在烘箱

36、中，以 4c/min 的速度升溫，至 250c 保溫 4h。整形的作用是使坯片排除一定的水分和黏合劑，獲得平整的外形和初步的定形。整形后的坯片仍具有相當(dāng)好的機(jī)械強(qiáng)度，故仍能方便地裝缽、排膠。坯片的大小、厚薄不同，排膠升溫曲線不相同。黏合劑不同，其揮發(fā)速率不同，排膠曲線也不同。以下排膠曲線供參考：0100c 自由升溫，100c 時(shí)保溫 1h；100350c，升溫速率100c/h；350400c，升溫速率 40c/h，400c 時(shí)保溫 3h。坯片經(jīng)過(guò) 400c烘烤，強(qiáng)度很低，不可移動(dòng)，應(yīng)繼續(xù)升溫，直至 900c，其中 500900c，升溫速率為 100c/h。排膠時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)通風(fēng)，使有機(jī)揮發(fā)組分及

37、 co 等及時(shí)排出，保持爐內(nèi)為氧化氣氛，這對(duì)許多易還原的功能陶瓷材料來(lái)說(shuō)十分重要。第 8 頁(yè) 共 19 頁(yè)3.6 燒結(jié)燒結(jié)燒結(jié)是使成型的坯體在高溫作用下致密化，完成預(yù)期的物理化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到所要求的物理化學(xué)性能的全過(guò)程。該過(guò)程通常分三個(gè)階段：從室溫至最高燒結(jié)溫度時(shí)的升溫階段；在高溫下的保溫階段；從最高溫度降至室溫的冷卻階段。3.6.1 升溫階段升溫階段這一階段主要是水分和有機(jī)黏合劑的揮發(fā)，結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水的排除，碳酸鹽的分解，有時(shí)還有晶相轉(zhuǎn)變等過(guò)程。除晶相轉(zhuǎn)變過(guò)程外，其他過(guò)程都伴有大量的氣體排出。這時(shí)升溫不能太快，否則會(huì)造成結(jié)構(gòu)疏松，變形和開裂。通常吸附水在 200c 以前逐步揮發(fā)掉，有機(jī)黏合劑在

38、 200350c 揮發(fā)完，結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水的排除以及碳酸鹽的分解，視具體材料而異。3.6.2 保溫階段保溫階段保溫階段是陶瓷燒結(jié)的主要階段，在這一階段各組分進(jìn)行充分的物理變化和化學(xué)反應(yīng)，以獲得要求的致密、結(jié)構(gòu)和性能的陶瓷體。因此，必須嚴(yán)格控制燒結(jié)制度，尤其是嚴(yán)格控制最高燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間。任何瓷料都有一最佳的燒結(jié)溫度范圍，實(shí)際燒結(jié)溫度應(yīng)保證在此范圍內(nèi)。各種瓷料的燒結(jié)溫度范圍不同，一般黏土類陶瓷的燒結(jié)溫度范圍比較寬，約為 40100c，大多數(shù)功能陶瓷只有 1020c 左右，個(gè)別的只有 510c。在這個(gè)范圍內(nèi)燒結(jié)，坯體致密性好，不吸水，晶粒細(xì)密，機(jī)械和電性能好。超出這個(gè)范圍，瓷體氣孔率都增大，機(jī)械性

39、能和電性能降低。3.6.3 冷卻階段冷卻階段從燒成溫度冷卻至常溫的過(guò)程稱為冷卻階段。在冷卻過(guò)程中伴隨有液相凝固、析晶、相變等物理和化學(xué)變化發(fā)生。因此，冷卻方式、冷卻速度快慢對(duì)瓷體最終的相組成、結(jié)構(gòu)和性能均有很大的影響。冷卻階段有淬火急冷、隨爐快冷、隨爐慢冷或緩冷和分段保溫冷卻等多種方式。慢冷等相當(dāng)于延長(zhǎng)不同溫度下的保溫時(shí)間，因此，晶體生長(zhǎng)能力強(qiáng)、玻璃相有強(qiáng)烈析晶傾向的瓷料，晶?？赡苌L(zhǎng)成為大的晶體，玻璃相會(huì)析晶，往往使瓷體結(jié)構(gòu)和致密性差，對(duì)于這種瓷料，應(yīng)快速冷卻。快冷應(yīng)注意避免瓷體開裂和炸裂。析晶傾向非常強(qiáng)的瓷料，或希望保持高溫相的瓷料，可采用快冷或淬火快冷的方法。4 樣品的制備樣品的制備本實(shí)

40、驗(yàn)通過(guò)向 al2o3粉末中分別摻雜不同濃度的 cr 粉，經(jīng)過(guò)燒結(jié)等工藝，制得 cr 摻雜氧化鋁陶瓷片樣品，并測(cè)試了各組樣品的光學(xué)、電學(xué)性能。4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備1) 稱量設(shè)備：電子天平第 9 頁(yè) 共 19 頁(yè)2) 混磨設(shè)備：pm 型行星式球磨機(jī)3) 干燥設(shè)備：dhg-9248a 型鼓風(fēng)干燥箱4) 熱處理設(shè)備：ktl1600 型管式爐5) 樣品檢測(cè)設(shè)備：dx-2700x 型 x 射線衍射儀(xrd)、rf-5301pc 型熒光分光光度計(jì)、rts-8 型四探針測(cè)試儀6) 加壓設(shè)備：hy-12 型壓片機(jī)4.2 摻鉻氧化鋁陶瓷的制備摻鉻氧化鋁陶瓷的制備1) 原料：al2o3是主要原料，本實(shí)驗(yàn)采用的

41、氧化鋁粉料純度在 95%以上。添加劑為 200 目的鉻粉。2) 樣品的組成配方表 4-1 cr 摻雜 al2o3粉料的摩爾比配方樣品編號(hào)al2o3(mol)cr(mol)(cr)(mol%)1#0.15800.00201.24882#0.15160.01006.19513#0.14360.020012.2304按照所需濃度稱量各粉料質(zhì)量如下：表 4-2 cr 摻雜 al2o3粉料的質(zhì)量濃度配方樣品編號(hào)al2o3(g)cr(g)(cr)(wt%)1#16.11150.10390.6412#15.46050.52073.2583#14.64641.04086.6353) 實(shí)驗(yàn)樣品的制備 配料。采用

42、濕磨的方法，既可以增加粉末粘附于研磨機(jī)的幾率，又可以減少對(duì)球磨機(jī)的磨損，所以本實(shí)驗(yàn)采用濕法球磨。按照表4-2的配方稱量物料，將3組樣品分別放入3個(gè)100ml尼龍球磨罐中，加入瑪瑙研磨球（磨球大中小球質(zhì)量比約1:1:2，換算成磨球粒數(shù)大致為1粒、12粒、70粒） ，加入去離子水25ml，加入2g聚乙二醇2000分散劑。 球磨混合。在pm行星式球磨機(jī)中球磨10h，設(shè)定轉(zhuǎn)速為250r/min。 抽濾。利用空氣泵和抽濾瓶對(duì)3組樣品分別抽濾10min。 烘干。抽濾后的3組樣品放入dhg-9248a鼓風(fēng)干燥箱中，在80c恒溫下烘干48h。 研磨、過(guò)篩。將烘干后的3組餅狀樣品分別進(jìn)行粉碎、研磨，并過(guò)200目

43、（平均粒徑75um）篩，使粒徑分布變窄，樣品更均勻。 預(yù)燒。將3組粉料分別均勻地倒入坩堝槽內(nèi)，并稍微緊壓，使粉料更致密。然后放入ktl1600管式爐中預(yù)燒。預(yù)燒溫度為1400c，保溫3h。第 10 頁(yè) 共 19 頁(yè) 造粒。壓緊的粉料預(yù)燒后成為塊材，體積收縮如表4-3。表4-3 各組樣品預(yù)燒后的體積收縮比樣品編號(hào)1#2#3#體積收縮比例31.11%24.86%14.4%將塊材粉碎研磨、過(guò)80目（平均孔徑0.2mm）篩，每組樣品稱量3g后加入4ml質(zhì)量濃度為5wt%的pva（聚乙烯醇水溶液） ，并用磁力攪拌器對(duì)其進(jìn)行攪拌約10h至糊狀，將樣品放入恒溫干燥箱烘干10h后取出再粉碎研磨、過(guò)80目篩。

44、壓片成型。對(duì)每組樣品稱量、壓片。每次稱量0.3000g，用壓片機(jī)在16.5mpa下保壓12分鐘，每組壓完片后壘成一疊，一組（一疊）7片，放在坩堝槽里待燒結(jié)。 燒結(jié)。將盛有壓好的3疊小圓片樣品的坩堝槽放進(jìn)ktl1600型管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，在1600c高溫下保溫2h。4) 樣品的測(cè)試在室溫下，使用dx-2700型xrd對(duì)每組樣品進(jìn)行測(cè)試；使用rf-5301pc型熒光分光光度計(jì)測(cè)試每組樣品的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜，熒光分光光度計(jì)測(cè)試波長(zhǎng)范圍為220900nm，光源為氙燈；使用rts-8型四探針測(cè)試儀測(cè)試樣品電阻率。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析經(jīng)過(guò)預(yù)燒、造粒、壓片成型、排膠及燒結(jié)，三組樣品隨著濃度的增

45、加，顏色更深，如圖 5-1 為燒結(jié)后的 3 個(gè)樣品。其中 1#樣品是純凈的粉紅色，2#、3#樣品表面含有一些雜質(zhì)一樣的深紅色小斑，可能是球磨 10h 并沒混合均勻，也可能是加入 pva 時(shí)攪拌時(shí)間 10h 顯得稍短。5.1 發(fā)射光譜與激發(fā)光譜發(fā)射光譜與激發(fā)光譜5.1.1 燒結(jié)后每組樣品的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜燒結(jié)后每組樣品的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜圖5-2為1#樣品的熒光光譜，由圖可知，1#樣品的主要發(fā)射峰位置在691nm處，而且相當(dāng)尖銳。在658nm、667nm、703nm、711nm處存在次要發(fā)射峰。通圖 5-1 燒結(jié)后的樣品實(shí)物圖。1#（左） ，2#（中） ，3#（右）第 11 頁(yè) 共 19 頁(yè)過(guò)

46、對(duì)655715nm區(qū)間峰位的激發(fā)譜測(cè)試，表明以上峰位都是cr3+的發(fā)射峰。本實(shí)驗(yàn)與曾智江等人在氧化鋁透明陶瓷中cr3+的發(fā)光性能一文中測(cè)得的670nm與697nm兩處發(fā)射峰有些許差異，大概是因?yàn)閾诫s濃度的差異引起，曾智江等的摻雜濃度是0.1wt%，本實(shí)驗(yàn)1#樣品摻雜濃度更高，為0.64wt%。圖5-3為2#樣品的熒光光譜，分析與1#樣品一樣，由圖可知2#樣品唯一的發(fā)射峰在691nm處。用400nm、450nm、470nm、500nm波長(zhǎng)的光來(lái)激發(fā)3#樣品，并未發(fā)現(xiàn)固定的發(fā)射峰，后改用220320nm范圍的波長(zhǎng)激發(fā)，產(chǎn)生如圖5-4所示的發(fā)射光譜。由圖可知3#樣品有兩個(gè)分隔較遠(yuǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)，分別為3

47、65nm的紫光波長(zhǎng)和709nm圖 5-2 1#樣品的熒光光譜。發(fā)射光譜（左） ，激發(fā)光譜（右）圖 5-3 2#樣品的熒光光譜。發(fā)射光譜（左） ，激發(fā)光譜（右）a第 12 頁(yè) 共 19 頁(yè)的紅光波長(zhǎng)。5.1.2 不同濃度樣品的發(fā)射光譜與分析不同濃度樣品的發(fā)射光譜與分析圖 5-5 為同一激發(fā)波長(zhǎng)下，各組樣品的發(fā)射光譜。圖 5-5 同一激發(fā)波長(zhǎng)下各組樣品的發(fā)射光譜圖 5-4 3#樣品的熒光光譜。發(fā)射光譜(a)，激發(fā)光譜(b、c)bc第 13 頁(yè) 共 19 頁(yè)從 4 幅圖中可以看出：1) 1#、2#、3#樣品的峰強(qiáng)度，總體看來(lái)是依次降低。說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)所摻雜的濃度范圍內(nèi)，摻雜濃度越高，樣品的發(fā)射強(qiáng)度越低

48、。這可能是因?yàn)閾诫s濃度越高，樣品晶格畸變?cè)絽柡?，散射作用越突出?dǎo)致。2) 350nm 和 700nm 附近的發(fā)射峰十分穩(wěn)定，其他發(fā)射峰隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增大，逐漸紅移。3) 在上述 4 種激發(fā)波長(zhǎng)下，3 組樣品都顯示出了上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性，即受到泵浦光激發(fā)時(shí)，可以發(fā)射出比激發(fā)光波長(zhǎng)更短的熒光。但在本實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，濃度對(duì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的影響并不明顯。5.2 x 射線衍射分析射線衍射分析采用 dx-2700 型 x 射線衍射儀(xrd)分析 3 組摻 cr 氧化鋁陶瓷樣品的晶體結(jié)構(gòu)。測(cè)試條件：35kv/25ma，cuk 輻射，掃描速度 0.02/s，測(cè)量衍射角范圍為 1080（圖上截取 2080） 。測(cè)

49、試完成后用 jade 9.0 軟件進(jìn)行分析。5.2.1 預(yù)燒、燒結(jié)后的預(yù)燒、燒結(jié)后的 xrd 圖像分析圖像分析圖 5-6 顯示的是 3 組樣品預(yù)燒后和燒結(jié)后（以下簡(jiǎn)稱燒結(jié)前后）的 xrd 圖像，其中燒結(jié)曲線均向上平移了 500 個(gè)單位。圖 5-6 每組樣品燒結(jié)前后的 xrd 圖像第 14 頁(yè) 共 19 頁(yè)從各圖中可以看出：1) 無(wú)論預(yù)燒還是燒結(jié)后，各組樣品的衍射峰基本沒變。說(shuō)明濃度的變化對(duì)晶格的影響很小，這主要是由于 cr3+的半徑與 al3+的半徑相差不大，離子替換對(duì)晶格的畸變影響很小。2) 每組樣品燒結(jié)后都產(chǎn)生了如圖中所指的 a，b，c，d 四個(gè)新的衍射峰。根據(jù) jade 9.0 軟件的分

50、析，大概可以肯定 a 峰為 cro2的衍射峰，b 峰為 cr5al8的衍射峰，而 c 峰暫時(shí)不能肯定是否是 -al2.427o3.64的衍射峰，d 峰暫不知曉是什么導(dǎo)致。3) 圖中標(biāo)有晶面指數(shù)的峰是 -al2o3的衍射峰，可以看出，樣品中晶型轉(zhuǎn)變得很好，幾乎全部轉(zhuǎn)變成了 -al2o3。用 jade 9.0 分析預(yù)燒后的 1#樣品，發(fā)現(xiàn)主要晶型為 al2o3，還有就是 -cro2和 -cro2。2#樣品為(al0.948cr0.052)2o3，3#樣品也是(al0.948cr0.052)2o3。1#和 2#、3#比較，1#預(yù)燒后發(fā)生的主要是晶型的轉(zhuǎn)變和致密化，而 2#、3#樣品中cr2o3與 a

51、l2o3已經(jīng)形成了固溶體，這可能是由于 cr3+和 al3+離子半徑的差別使得 al2o3的晶格活化，從而降低了 al2o3的燒結(jié)溫度，促成了 al2o3的燒結(jié)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)最初設(shè)定的預(yù)燒溫度實(shí)際已經(jīng)達(dá)到了燒結(jié)溫度。但測(cè)出的 cr3+的替換率5.2%比 2#樣品的理論值 3.2%高，比 3#樣品的理論值 6.51%低，這可能是因?yàn)?#樣品中出現(xiàn)了 al3+缺陷，導(dǎo)致 cr3+的濃度相對(duì)偏高；至于 3#樣品，暫不清楚其具體原因。用 jade 9.0 分析燒結(jié)后的三組樣品發(fā)現(xiàn)：1#樣品為 al1.54cr0.46o3，2#樣品為(al0.948cr0.052)2o3，3#樣品為 al1.92cr0.0

52、8o3。1#樣品經(jīng)過(guò) 1600c 燒結(jié)后發(fā)生了固溶，2#樣品組成似乎沒有改變，3#樣品的成分與預(yù)燒后有所區(qū)別，cr3+的替換率由 5.2%降為 4%，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于摻雜濃度過(guò)高，也會(huì)阻礙摻雜。綜上，得出初步結(jié)論：在本實(shí)驗(yàn)摻雜濃度范圍內(nèi)，cr3+濃度的提高可以降低 al2o3的燒結(jié)溫度，另外，隨著摻雜濃度的增大，摻雜越不易。5.2.2 晶胞參數(shù)的計(jì)算與分析晶胞參數(shù)的計(jì)算與分析利用 jade 9.0 軟件對(duì)樣片進(jìn)行晶胞精細(xì)化計(jì)算。表 5-1 是燒結(jié)后每組樣品以及 -al2o3的晶格參數(shù)。其中熱膨脹系數(shù)包括線膨脹系數(shù) 和體膨脹系數(shù) ，其計(jì)算公式如下：(5-1)/lltvvt 時(shí)其中l(wèi)、

53、v 是燒結(jié)前后晶格常數(shù)和晶胞體積的改變量，t 是燒結(jié)前后的溫差。由表 5-1 知，摻雜后晶格常數(shù)都增大了。隨著摻雜濃度的提高，晶格常數(shù)第 15 頁(yè) 共 19 頁(yè)逐漸增大，這是因?yàn)?cr3+半徑是 0.061nm，大于 al3+的半徑 0.053nm，造成al2o3晶胞發(fā)生畸變，且摻雜越多，畸變?cè)絽柡?，但?duì) al2o3晶格的總體影響并不大。由表 5-25-4 知，晶格的變化很小，但濃度對(duì)其也產(chǎn)生了一定影響 1#樣品的膨脹系數(shù)均為負(fù)值，說(shuō)明 1#樣品燒結(jié)后晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了收縮，樣品更致密。2#樣品與 1#樣品相反，膨脹系數(shù)為正值，燒結(jié)后晶格有所膨脹，樣品比燒結(jié)前更疏松。3#樣品介于 1#、2#之間，

54、在 aob 面上發(fā)生收縮而在其垂直方向有所伸長(zhǎng)，但由體積的變化可知，3#樣品的總體效果是燒結(jié)后變得更加致密。表 5-1 燒結(jié)后每組樣品以及 -al2o3的晶格參數(shù)項(xiàng)目a()b()c()體積(3)密度(g/cm3)1#4.7589834.75898312.98902254.763.98722#4.768234.7682313.01472256.264.06503#4.7704514.77045113.0205256.614.0595-al2o34.7404.74012.96252.83.994.0表 5-25-4 是每組樣品燒結(jié)前后晶格參數(shù)的變化情況。表 5-2 1#樣品燒結(jié)前后的晶格參數(shù)項(xiàng)目a

55、()b()c()體積(3)密度(g/cm3)1#（前）4.7616134.76161312.994450255.153.98111#（后）4.7589834.75898312.989020254.763.9872熱膨脹系數(shù)(10-6)-2.761670-2.761670-2.089354-7.642563表 5-3 2#樣品燒結(jié)前后的晶格參數(shù)項(xiàng)目a()b()c()體積(3)密度(g/cm3)2#（前）4.7673884.76738812.99559255.794.07252#（后）4.768234.7682313.01472256.264.065熱膨脹系數(shù)(10-6)0.8830830.883

56、0837.3601899.187224表 5-4 3#樣品燒結(jié)前后的晶格參數(shù)項(xiàng)目a()b()c()體積(3)密度(g/cm3)3#（前）4.7717664.77176613.01824256.714.07253#（后）4.7704514.77045113.0205256.614.0595熱膨脹系數(shù)(10-6)-1.377897-1.3778970.868013-1.947723由 3 個(gè)表格的數(shù)據(jù)看來(lái)，摻雜濃度對(duì)燒結(jié)后樣品的致密性產(chǎn)生了一定的影響：在本實(shí)驗(yàn)摻雜濃度范圍內(nèi)，燒結(jié)后樣品的致密度并不是隨著濃度的增加而單調(diào)增加，而是在 2#濃度處有一個(gè)最小值。第 16 頁(yè) 共 19 頁(yè)5.2.3 晶面

57、間距的分析晶面間距的分析圖 5-7 是燒結(jié)后每組樣品各衍射角所對(duì)應(yīng)的晶面間距。從圖中可以看出：1) 隨著 2 的增大，晶面指數(shù)發(fā)生改變，對(duì)應(yīng)的晶面間距（d 值）非線性逐漸減小。2) 不同濃度摻雜對(duì)晶面間距的影響幾乎相同，這是摻雜離子 cr3+半徑與al3+半徑相近。5.3 四探針測(cè)試樣品電阻率四探針測(cè)試樣品電阻率使用 rst-8 型四探針測(cè)試儀對(duì) 3 組樣品的電阻率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀針對(duì)樣品設(shè)定的參數(shù)如表 5-5：表 5-5 rst-8 型四探針測(cè)試儀測(cè)量時(shí)設(shè)定的參數(shù)晶片標(biāo)識(shí)量程(a)電流(a)探針平均間距(mm)直徑(mm)直徑修正因子厚度(mm)厚度修正因子探針間距修正因子1103.3051

58、124.2750.80.96631對(duì)每組樣品測(cè)得室溫下(25c)的 7 組電阻率取平均值得到表 5-6：表 5-6 每組樣品的平均電阻率(25c)編號(hào)1#2#3#平均電阻率(kcm)0.0950.0730.065從表 5-6 可以看出，隨著濃度的增加，樣品的平均電阻率逐漸降低。這可能是由于 cr3+對(duì) al3+的替換使得晶格產(chǎn)生畸變，cr3+的半徑比 al3+的半徑大，電子受原子核的束縛作用相對(duì)較弱，電子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使得電阻率下降。摻雜濃度越高，這種趨勢(shì)越強(qiáng)烈，使得高濃度摻雜樣品的電阻率更低。結(jié)結(jié) 論論對(duì) 3 組摻雜濃度分別為 0.641wt%、3.258wt%、6.635wt%的樣品進(jìn)行熒光光

59、譜分析，得出以下結(jié)論：1) 在本實(shí)驗(yàn)摻雜的濃度范圍內(nèi)，cr3+摻雜濃度越高，樣品的熒光發(fā)射強(qiáng)度圖 5-7 各組樣片各晶面間距與 2 的關(guān)系第 17 頁(yè) 共 19 頁(yè)越低。這可能是摻雜濃度越高，樣品晶格畸變相對(duì)較大，散射作用越強(qiáng)導(dǎo)致。2) 在 350nm 和 700nm 附近的發(fā)射峰十分穩(wěn)定，其他發(fā)射峰隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增大逐漸紅移。3) 3 組樣品都顯示出上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性，即受到泵浦光激發(fā)時(shí)，可以發(fā)射出比激發(fā)光波長(zhǎng)更短的熒光。但在本實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，濃度對(duì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的影響并不明顯。4) 在本實(shí)驗(yàn)摻雜濃度范圍內(nèi)，cr3+濃度的提高可以降低 al2o3的燒結(jié)溫度，另外，隨著摻雜濃度增大，摻雜越不易。通

60、過(guò) xrd 的分析，得出下面結(jié)論：1) 燒結(jié)前后，各組樣品的衍射峰基本沒變。說(shuō)明溫度的變化對(duì)晶格的影響很小。同時(shí)，作橫向比較，發(fā)現(xiàn)，無(wú)論燒結(jié)前，還是燒結(jié)后，濃度的變化對(duì)晶格的影響也很小，這主要是由于 cr3+的半徑與 al3+相近，離子替換產(chǎn)生的晶格畸變很小。2) 每組樣品燒結(jié)后都產(chǎn)生了四個(gè)新的衍射峰。可以肯定 a 峰為 cr4+的衍射峰，b 峰為 cr5al8的衍射峰，c 峰暫不能肯定是 -al2.427o3.64的衍射峰，d 峰不知道是什么的衍射峰。3) 隨著摻雜濃度的增大，各組樣品的晶格常數(shù)均增大，這是因?yàn)?cr3+半徑是 0.061nm，大于 al3+的半徑 0.053nm，造成 al