Y2O3-La2O3 复合助剂对无压烧结制备γ-AlON 透明陶瓷的分析

1、Y2O3-La2O3 复合助剂对无压烧结制备-AlON 透明陶瓷的分析    1引言尖晶石型氧氮化铝（-AlON）由于具有优良的光学性能和机械性能，因而成为颇具潜力的结构-功能一体化新型材料1。透明-AlON 陶瓷可以应用于照明、光学与医用仪器、激光、装甲、红外探测等领域2-4。高透过率陶瓷需要材料有很高的致密度，在陶瓷的烧结过程中，为了提高陶瓷的致密度，人们常引入稀土氧化物和碱土金属氧化物作为烧结助剂5。Jiping Cheng6在Al2O3 和AlN 原料中添加约0.5wt%的Y2O3 作为烧结助剂，促进微波烧结过程中的样品致密化，得到0.6mm厚的

2、样品在0.52.5m 波段内的透过率在40%60%之间。Maguire7等以不超过0.5wt%的B2O3 和Y2O3 为添加剂，在高于1900C 低于2140C 下烧结2448h，制得致密度大于99%的-AlON 透明陶瓷，样品厚1.45mm，在3005000nm 波段内垂直直线透过率不低于50%。从这些研究可以看出，选择合适的烧结助剂和含量来提高-AlON 陶瓷的光学性能是十分重要的途径。但并没有从微观结构上深入探讨烧结助剂含量对-AlON 致密度的影响以及对烧结助剂促进-AlON 透过率提高的作用进行分析。结合目前的研究8-11，本文通过在-AlON 透明陶瓷中添加Y2O3 和La2O3

3、复合烧结助剂，来研究稀土复合烧结助剂含量对材料的物相组成、显微结构和性能的影响，分析其烧结致密化机理。2实验2.1 样品制备以71.47mol%-Al2O3 和28.53mol%AlN 粉末为原料，用固相反应法合成出平均粒径约1m、晶格常数为7.9472? 的-AlON 粉末。结合，可以看出，粉体具有高纯度、形貌规则、分布均匀等特点。将不同含量的Y2O3 和La2O3 复合烧结助剂与-AlON粉末均匀混合，13MPa 下预压成20mm 的圆片，在冷等静压机中经200MPa 保压5min 压制成型，得到厚度为4mm 的生坯。然后将生坯运用无压烧结法在N2 气氛下以10/min 的升温速率加热到1

4、900?C，保温24h，得到17mm、厚2.53mm 的烧结体。最后将烧结样品磨制、抛光得到厚度为1mm 的试样。W1、W2、W3、W4、W5 分别代表添加量为0wt%、0.1wt%、0.25wt%、0.5wt%和1wt%的-AlON 陶瓷样品。2.2 结构表征使用Rigaku Ultima III X 射线衍射仪确定粉体和烧结块体的物相成分，采用Cu靶在40KV电压和40mA 加速电流下，以4°/min 的速率在1090°进行扫描；运用扫描电镜（HitachiS-3400N, Japan）和场发射扫描电镜（Hitachi S-4800, Japan）分析粉末和烧结体的微观

5、形貌；使用阿基米德排水法测量烧结样品的相对密度；采用压痕法（加载力49N，保压15 s）测定烧结样品的硬度和断裂韧性；使用HP4294 型介电频谱仪测定烧结样品在1MHz 频率下的介电性能；采用紫外-可见分光光度计（UV-2550, SHIMADZU, Japan）测定样品0.21m 波长范围内的直线透光率；采用紫外-可见-近红外分光光度计（Lambda 900, Perkin-Elmer, USA）测定样品12.5m 波长范围内的直线透光率；采用傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet NexusFourier Transform Infrared Spectroscopy, Thermo Ni

6、colet, USA）测定样品2.510m 波长范围内的直线透光率。3结果分析与讨论3.1 XRD 物相分析为添加不同复合烧结助剂含量的样品的XRD 谱图。没有添加烧结助剂的样品的衍射峰位置和强度与-AlON 标准卡片PDF80-2173 对应良好，表明本实验通过无压烧结制得的-AlON 纯度高；烧结助剂含量为0.1wt%0.5wt%的样品，与标准衍射谱比较无其它杂峰，从衍射图中没有检测到含有Y2O3 和La2O3 的衍射峰。复合烧结助剂添加量为0.1wt%-0.5wt%的陶瓷样品衍射峰的位置没有变化，但强度变化明显，这是可能由于是晶粒过大，由于存在晶粒的择优取向，导致衍射峰强度发生不同程度的

7、变化。复合烧结助剂添加量为1wt%的-AlON陶瓷样品中大部分衍射峰的位置与-AlON 标准卡片的图谱对应良好，但出现了AlYO3 的衍射峰，表明样品中有第二相的存在。3.2 材料性能为烧结样品的致密度、硬度、断裂韧性、介电常数、节电损耗，从表中可以看出添加了复合烧结助剂，样品致密度其致密度由98.37%增加到99.63%，而硬度、断裂韧性、介电常数等和致密度紧密相关，其中硬度由13.38GPa 增加到14.93GPa,断裂韧性由1.58MPa·m1/2增加到1.97MPa·m1/2，介电常数由 增加到，而介电损耗由1.5%降为0.7%；当烧结助剂添加量继续增加时，其致密度

8、反而下降，硬度、断裂韧性、介电常数都下降，介电损耗增加。给出了在1900 ?C 下保温24h 所得样品W2 的表观照片，其显示出较高的透明度。为样品W1-W5 的透过率测试结果。样品W2-W4 的光学透过率相比W1 显著提高，而W5 基本不透明。其中W2 样品，直线光学透过率超过60%，其透光性比没有添加烧结助剂的样品透明性显著提高50%。可见适量的烧结助剂可以明显的提高材料的致密度和光学透过率，烧结助剂过量反而使致密度和光学透过率快速下降。3.3 微观结构特征是在1900烧结24h 制备的-AlON 陶瓷，在1750热腐蚀15min 陶瓷样品的表面SEM 照片。样品W1 较致密，但存在较多的

9、晶内气孔；这是由于在烧结过程中晶粒生长过快，将气孔包裹进来形成晶内气孔.所示的样品W2，样品晶界结合紧密，晶粒形状规则、均匀、无明显的气孔存在。复合烧结助剂Y2O3-La2O3的添加可减少晶内气孔，提高-AlON 透明陶瓷的致密度。样品W3 中晶粒开始出现异常长大，且晶粒大小分布不均匀，无明显的晶内气孔存在。样品W4 中晶粒有异常长大，晶粒大小分布不均匀，晶界处有气孔存在，但无明显晶内气孔存在所示的样品W5，晶粒异常长大非常明显，晶粒形状变得圆润，晶粒大小分布非常不均匀，表面有明显的凹坑缺陷，且数量较多。为了弄清楚样品W3、W4、W5 中出现的晶粒异常长大，晶粒形状变得圆润，晶界气孔增多等异常

10、现象，我们通过FESEM 和EDS 对样品W2 和W5作出了进一步的分析。是样品W2和W5在1750热腐蚀15min 陶瓷样品的表面FESEM照片和EDS 分析。中Y2O3-La2O3 复合烧结助剂添加量为0.1wt%，在其晶粒和三角晶界处没有第二相的存在，晶界结合紧密，无明显的气孔和缺陷。Lior Miller and Wayne D12研究表明，在AlON 中，1870时La 和Y 的溶解度分别为498±82 ppm 和1775±128 ppm。与本实验的的添加量为0.1wt%，其中La2O3 和Y2O3 添加量分别为400ppm 和1600ppm 的实验结果相符合。而

11、K. X.Song 等人13认为Y2O3 添加剂的烧结机制是通过固溶到氧化铝晶粒中，阻碍氧化铝晶界移动，使得氧化铝晶粒细小而致密。结合上述可以看出Y2O3-La2O3 复合烧结助剂在-AlON 陶瓷烧结过程中的作用机理是Y2O3 和La2O3 以离子的形式固溶到-AlON 晶粒内部，阻碍了氧氮化铝的晶界移动，使气孔不会包裹在晶粒内部，气孔可以利用晶界作为空位传递的快速通道而迅速汇集得到排除，促进了材料致密化，有利于光学性能和机械性能的提高。中复合烧结助剂添加量为1wt%时，在其三角晶界处存在明显的第二相。XRD 也印证了第二相得存在。是典型的液相烧结显微结构，其主要特征是第二相颗粒圆润。中可以

12、发现样品中有Y 元素存在。结合XRD 和EDS 分析可以确定，三角晶界处的第二相含有Al、O、Y 元素。W5 的光学透过率等性能也比W1 低。添加1wt%的样品缺陷较多，有晶粒的异常长大出现，出现明显的第二相且烧结过程中有液相产生。样品W3、W4 也印证了这一点。结合上述可以看出复合烧结助剂含量过多，Y2O3 和La2O3 会在晶界处富集，烧结过程中形成液相，液相可以促进异常晶粒的长大，晶粒和第二相颗粒变得圆润，烧结完成后残留在-AlON 陶瓷晶体内的第二相，使晶体晶界变宽，严重影响了材料的致密度、光学透过性和其他的机械性能。4结论（1）以-AlON 粉末为原料，以Y2O3-La2O3 为复合

13、烧结助剂，在N2 气氛下，1900下无压烧结，保温24h 可以制备出AlON 透明陶瓷，当Y2O3-La2O3 复合烧结助剂含量为0.1wt%时，可得到样品厚度为1mm，最大直线透过率超过60%的-AlON 透明陶瓷，其最大直线透过率比没有添加烧结助剂的AlON 陶瓷提高50%。（2）当含量为0.1wt%时，Y2O3-La2O3 复合烧结助剂在-AlON 陶瓷的无压烧结中通过固溶到-AlON 晶粒中促进材料致密化，有利于光学性能的提高；当复合烧结助剂含量继续增加时，过多的烧结助剂在烧结过程中形成液相并残留在晶界中，导致-AlON 陶瓷的致密度和光学透过性下降。参考文献1 江东亮透明陶瓷无机材料

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