Y2O3-La2O3 復合助劑對無壓燒結制備γ-AlON 透明陶瓷的分析

1、Y2O3-La2O3 復合助劑對無壓燒結制備-AlON 透明陶瓷的分析    1引言尖晶石型氧氮化鋁（-AlON）由于具有優(yōu)良的光學性能和機械性能，因而成為頗具潛力的結構-功能一體化新型材料1。透明-AlON 陶瓷可以應用于照明、光學與醫(yī)用儀器、激光、裝甲、紅外探測等領域2-4。高透過率陶瓷需要材料有很高的致密度，在陶瓷的燒結過程中，為了提高陶瓷的致密度，人們常引入稀土氧化物和堿土金屬氧化物作為燒結助劑5。Jiping Cheng6在Al2O3 和AlN 原料中添加約0.5wt%的Y2O3 作為燒結助劑，促進微波燒結過程中的樣品致密化，得到0.6mm厚的

2、樣品在0.52.5m 波段內(nèi)的透過率在40%60%之間。Maguire7等以不超過0.5wt%的B2O3 和Y2O3 為添加劑，在高于1900C 低于2140C 下燒結2448h，制得致密度大于99%的-AlON 透明陶瓷，樣品厚1.45mm，在3005000nm 波段內(nèi)垂直直線透過率不低于50%。從這些研究可以看出，選擇合適的燒結助劑和含量來提高-AlON 陶瓷的光學性能是十分重要的途徑。但并沒有從微觀結構上深入探討燒結助劑含量對-AlON 致密度的影響以及對燒結助劑促進-AlON 透過率提高的作用進行分析。結合目前的研究8-11，本文通過在-AlON 透明陶瓷中添加Y2O3 和La2O3

3、復合燒結助劑，來研究稀土復合燒結助劑含量對材料的物相組成、顯微結構和性能的影響，分析其燒結致密化機理。2實驗2.1 樣品制備以71.47mol%-Al2O3 和28.53mol%AlN 粉末為原料，用固相反應法合成出平均粒徑約1m、晶格常數(shù)為7.9472? 的-AlON 粉末。結合，可以看出，粉體具有高純度、形貌規(guī)則、分布均勻等特點。將不同含量的Y2O3 和La2O3 復合燒結助劑與-AlON粉末均勻混合，13MPa 下預壓成20mm 的圓片，在冷等靜壓機中經(jīng)200MPa 保壓5min 壓制成型，得到厚度為4mm 的生坯。然后將生坯運用無壓燒結法在N2 氣氛下以10/min 的升溫速率加熱到1

4、900?C，保溫24h，得到17mm、厚2.53mm 的燒結體。最后將燒結樣品磨制、拋光得到厚度為1mm 的試樣。W1、W2、W3、W4、W5 分別代表添加量為0wt%、0.1wt%、0.25wt%、0.5wt%和1wt%的-AlON 陶瓷樣品。2.2 結構表征使用Rigaku Ultima III X 射線衍射儀確定粉體和燒結塊體的物相成分，采用Cu靶在40KV電壓和40mA 加速電流下，以4°/min 的速率在1090°進行掃描；運用掃描電鏡（HitachiS-3400N, Japan）和場發(fā)射掃描電鏡（Hitachi S-4800, Japan）分析粉末和燒結體的微觀

5、形貌；使用阿基米德排水法測量燒結樣品的相對密度；采用壓痕法（加載力49N，保壓15 s）測定燒結樣品的硬度和斷裂韌性；使用HP4294 型介電頻譜儀測定燒結樣品在1MHz 頻率下的介電性能；采用紫外-可見分光光度計（UV-2550, SHIMADZU, Japan）測定樣品0.21m 波長范圍內(nèi)的直線透光率；采用紫外-可見-近紅外分光光度計（Lambda 900, Perkin-Elmer, USA）測定樣品12.5m 波長范圍內(nèi)的直線透光率；采用傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet NexusFourier Transform Infrared Spectroscopy, Thermo Ni

6、colet, USA）測定樣品2.510m 波長范圍內(nèi)的直線透光率。3結果分析與討論3.1 XRD 物相分析為添加不同復合燒結助劑含量的樣品的XRD 譜圖。沒有添加燒結助劑的樣品的衍射峰位置和強度與-AlON 標準卡片PDF80-2173 對應良好，表明本實驗通過無壓燒結制得的-AlON 純度高；燒結助劑含量為0.1wt%0.5wt%的樣品，與標準衍射譜比較無其它雜峰，從衍射圖中沒有檢測到含有Y2O3 和La2O3 的衍射峰。復合燒結助劑添加量為0.1wt%-0.5wt%的陶瓷樣品衍射峰的位置沒有變化，但強度變化明顯，這是可能由于是晶粒過大，由于存在晶粒的擇優(yōu)取向，導致衍射峰強度發(fā)生不同程度的

7、變化。復合燒結助劑添加量為1wt%的-AlON陶瓷樣品中大部分衍射峰的位置與-AlON 標準卡片的圖譜對應良好，但出現(xiàn)了AlYO3 的衍射峰，表明樣品中有第二相的存在。3.2 材料性能為燒結樣品的致密度、硬度、斷裂韌性、介電常數(shù)、節(jié)電損耗，從表中可以看出添加了復合燒結助劑，樣品致密度其致密度由98.37%增加到99.63%，而硬度、斷裂韌性、介電常數(shù)等和致密度緊密相關，其中硬度由13.38GPa 增加到14.93GPa,斷裂韌性由1.58MPa·m1/2增加到1.97MPa·m1/2，介電常數(shù)由 增加到，而介電損耗由1.5%降為0.7%；當燒結助劑添加量繼續(xù)增加時，其致密度

8、反而下降，硬度、斷裂韌性、介電常數(shù)都下降，介電損耗增加。給出了在1900 ?C 下保溫24h 所得樣品W2 的表觀照片，其顯示出較高的透明度。為樣品W1-W5 的透過率測試結果。樣品W2-W4 的光學透過率相比W1 顯著提高，而W5 基本不透明。其中W2 樣品，直線光學透過率超過60%，其透光性比沒有添加燒結助劑的樣品透明性顯著提高50%。可見適量的燒結助劑可以明顯的提高材料的致密度和光學透過率，燒結助劑過量反而使致密度和光學透過率快速下降。3.3 微觀結構特征是在1900燒結24h 制備的-AlON 陶瓷，在1750熱腐蝕15min 陶瓷樣品的表面SEM 照片。樣品W1 較致密，但存在較多的

9、晶內(nèi)氣孔；這是由于在燒結過程中晶粒生長過快，將氣孔包裹進來形成晶內(nèi)氣孔.所示的樣品W2，樣品晶界結合緊密，晶粒形狀規(guī)則、均勻、無明顯的氣孔存在。復合燒結助劑Y2O3-La2O3的添加可減少晶內(nèi)氣孔，提高-AlON 透明陶瓷的致密度。樣品W3 中晶粒開始出現(xiàn)異常長大，且晶粒大小分布不均勻，無明顯的晶內(nèi)氣孔存在。樣品W4 中晶粒有異常長大，晶粒大小分布不均勻，晶界處有氣孔存在，但無明顯晶內(nèi)氣孔存在所示的樣品W5，晶粒異常長大非常明顯，晶粒形狀變得圓潤，晶粒大小分布非常不均勻，表面有明顯的凹坑缺陷，且數(shù)量較多。為了弄清楚樣品W3、W4、W5 中出現(xiàn)的晶粒異常長大，晶粒形狀變得圓潤，晶界氣孔增多等異常

10、現(xiàn)象，我們通過FESEM 和EDS 對樣品W2 和W5作出了進一步的分析。是樣品W2和W5在1750熱腐蝕15min 陶瓷樣品的表面FESEM照片和EDS 分析。中Y2O3-La2O3 復合燒結助劑添加量為0.1wt%，在其晶粒和三角晶界處沒有第二相的存在，晶界結合緊密，無明顯的氣孔和缺陷。Lior Miller and Wayne D12研究表明，在AlON 中，1870時La 和Y 的溶解度分別為498±82 ppm 和1775±128 ppm。與本實驗的的添加量為0.1wt%，其中La2O3 和Y2O3 添加量分別為400ppm 和1600ppm 的實驗結果相符合。而

11、K. X.Song 等人13認為Y2O3 添加劑的燒結機制是通過固溶到氧化鋁晶粒中，阻礙氧化鋁晶界移動，使得氧化鋁晶粒細小而致密。結合上述可以看出Y2O3-La2O3 復合燒結助劑在-AlON 陶瓷燒結過程中的作用機理是Y2O3 和La2O3 以離子的形式固溶到-AlON 晶粒內(nèi)部，阻礙了氧氮化鋁的晶界移動，使氣孔不會包裹在晶粒內(nèi)部，氣孔可以利用晶界作為空位傳遞的快速通道而迅速匯集得到排除，促進了材料致密化，有利于光學性能和機械性能的提高。中復合燒結助劑添加量為1wt%時，在其三角晶界處存在明顯的第二相。XRD 也印證了第二相得存在。是典型的液相燒結顯微結構，其主要特征是第二相顆粒圓潤。中可以

12、發(fā)現(xiàn)樣品中有Y 元素存在。結合XRD 和EDS 分析可以確定，三角晶界處的第二相含有Al、O、Y 元素。W5 的光學透過率等性能也比W1 低。添加1wt%的樣品缺陷較多，有晶粒的異常長大出現(xiàn)，出現(xiàn)明顯的第二相且燒結過程中有液相產(chǎn)生。樣品W3、W4 也印證了這一點。結合上述可以看出復合燒結助劑含量過多，Y2O3 和La2O3 會在晶界處富集，燒結過程中形成液相，液相可以促進異常晶粒的長大，晶粒和第二相顆粒變得圓潤，燒結完成后殘留在-AlON 陶瓷晶體內(nèi)的第二相，使晶體晶界變寬，嚴重影響了材料的致密度、光學透過性和其他的機械性能。4結論（1）以-AlON 粉末為原料，以Y2O3-La2O3 為復合

13、燒結助劑，在N2 氣氛下，1900下無壓燒結，保溫24h 可以制備出AlON 透明陶瓷，當Y2O3-La2O3 復合燒結助劑含量為0.1wt%時，可得到樣品厚度為1mm，最大直線透過率超過60%的-AlON 透明陶瓷，其最大直線透過率比沒有添加燒結助劑的AlON 陶瓷提高50%。（2）當含量為0.1wt%時，Y2O3-La2O3 復合燒結助劑在-AlON 陶瓷的無壓燒結中通過固溶到-AlON 晶粒中促進材料致密化，有利于光學性能的提高；當復合燒結助劑含量繼續(xù)增加時，過多的燒結助劑在燒結過程中形成液相并殘留在晶界中，導致-AlON 陶瓷的致密度和光學透過性下降。參考文獻1 江東亮透明陶瓷無機材料

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