不同掺杂浓度对Al2O3Cr光电特性的影响设计说明

1、 信息工程学院论文不同掺杂浓度对Al2O3:Cr光电性能的影响论文申请学位专业:应用物理学申请学位类别: 论文提交日期:毕业设计(论文)原件及使用授权说明原创性声明我保证我提交的毕业设计(论文)是我在导师指导下的研究工作和成果。据我所知，除文中特别标注和注明的地方外，不包含其他人或组织已发表的研究成果，也不包含我曾用来与其他教育机构取得学位或学历的材料。对本研究有所帮助和贡献的个人或集体，都做出了明确的解释，并表达了对本文的兴趣。作者签名:日期:讲师签名:日期:授权说明本人完全理解学校关于毕业设计(论文)收集、保存和使用的规定，即按照学校的要求提交毕业设计(论文)的印刷版和电子版；学校有权保留

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3、借阅学位论文。本人授权大学将本学位论文全部或部分编入相关数据库以供检索，并以影印、缩印或扫描的方式保存和编辑本学位论文。涉密论文按学校规定办理。作者签名:日期:年、月、日导师签名:日期:年月日不同掺杂浓度对Al2O3:Cr光电性能的影响摘要氧化铝瓷具有绝缘、机械强度高、耐高温等性能。氧化铝还可以制成透明瓷、生物惰性瓷等功能材料。本文介绍了掺铬氧化铝陶瓷的制备工艺。采用固相烧结法制备了三组掺铬量分别为0.641%、3.258%和6.635%的Al2O3样品。利用X射线衍射(XRD)、荧光分光光度计和四探针测试仪分析了不同浓度Cr对氧化铝陶瓷光电性能的影响。发现三组样品都表现出上转换发光特性。Cr

4、3+掺杂浓度越高，样品的荧光发射强度越低。在400500nm的激发波长范围内，0.641wt%的样品有5个发射峰，其中691nm处的发射峰最尖锐，3.258wt%的样品在691nm处也有发射峰，6.635wt%的样品在220320nm的激发波长范围内有356nm和709nm的发射峰。增加Cr3+的掺杂浓度可以降低Al2O3的烧结温度。当掺杂浓度为3.258wt%时，烧结样品的密度最低。掺杂浓度对晶面间距影响不大；随着掺杂浓度的增加，样品的平均电阻率逐渐降低。迄今为止，人们发现氧化铝陶瓷具有许多优异的性能，这使得氧化铝陶瓷逐渐成为研究热点。关键词:Al2O3瓷；Cr掺杂；浓度；固相烧结法；光电特

5、性目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473932 1引言1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473933 2氧化铝瓷1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473934 2.1氧化铝晶体结构2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473935 2.2氧化铝的物理性能2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473936 2.3氧化铝瓷中添加剂的作用与机理2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473937 3氧化铝瓷

6、的制备工艺过程3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473938 3.1原料与其加工工艺3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473939 3.2配料计算3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473940 3.3备料工艺3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473941 3.3.1原料的煅烧3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473942 3.3.2熔块合成4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473943 3.3.3粉料的制备4 HYP

7、ERLINK l _RefHeading_Toc295473944 3.3.4浆料压滤、困料5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473945 3.3.5干燥、加黏合剂和造粒5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473946 3.4成型6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473947 3.5排胶7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473948 3.6烧结7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473949 3.6.1升温阶段8 HYPERLINK l _RefHe

8、ading_Toc295473950 3.6.2保温阶段8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473951 3.6.3冷却阶段8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473952 4样品的制备8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473953 4.1实验设备8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473954 4.2掺铬氧化铝瓷的制备9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473955 5实验结果与分析10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc29547

9、3956 5.1发射光谱与激发光谱10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473957 5.1.1烧结后每组样品的发射光谱和激发光谱10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473958 5.1.2不同浓度样品的发射光谱与分析12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473959 5.2 X射线衍射分析13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473960 5.2.2晶胞参数的计算与分析14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473961 5.2.3晶面间距的分析15 H

10、YPERLINK l _RefHeading_Toc295473962 5.3四探针测试样品电阻率16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473963 结论16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473964 参考文献17 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473965 致18 HYPERLINK l _RefHeading_Toc295473966 声明191导言瓷器是由粉末通过成型和烧结制成的无机非金属制品的总称。新型无机材料不仅熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损，而且一些特殊陶瓷还具有一些特殊

11、的物理性能。甚至在某些情况下，瓷器是唯一可以选择的材料。目前，陶瓷材料、金属材料和高分子材料被称为三大固体材料1。2000年Murotani等人2制备了掺Cr3+的Al2O3多晶瓷，但其气孔率高达24%，材料不透明。2005年，曾志江等3采用传统的无压烧结工艺制备了透明性良好的Cr3+掺杂氧化铝陶瓷，并测量了其吸收光谱、发射光谱和激发光谱。结果表明，Cr: Al2O3陶瓷的吸收峰与红宝石单晶的吸收峰一致，吸收截面与红宝石单晶相似。我国Cr3+离子的晶场强度比红宝石单晶弱，但其发射光谱仍相当尖锐。这一成果可以降低生产成本，提高生产效率，制作大尺寸复杂形状的样品4。在曾志江实验的基础上，引入Cr3

12、+掺杂浓度这一变量，通过固相烧结制备了三组掺铬量分别为0.641wt%、3.258wt%和6.635wt%的Al2O3陶瓷。用荧光分光光度计和四探针测试仪测试样品，研究掺杂浓度对Al2O3陶瓷光电性能的影响。此外，利用X射线衍射(XRD)研究了掺杂浓度对Al2O3陶瓷晶格参数的影响。目前，Al2O3陶瓷在透明、耐高温、上转换发光等方面的应用研究很多。遗憾的是，Cr掺杂浓度对氧化铝陶瓷光电特性的影响至今未见报道，本课题正好可以填补这方面的空白。也可以为旨在提高氧化铝陶瓷光电性能的研究提供实验依据。氧化铝瓷氧化铝瓷是迄今为止重要的陶瓷材料，其主要原料是氧化铝(Al2O3)。透明氧化铝瓷不仅能透射近

13、红外，还能透射可见光。与玻璃相比，透明瓷具有高强度、高硬度、高韧性和更好的抗表面损伤能力。与单晶相比，制备温度更低，生产周期更短，在大尺寸和结构设计方面比单晶更容易实现。这些优异的性能使得透明瓷逐渐成为研究热点5。由于其高机械强度和高绝缘强度，氧化铝瓷被用作真空器件、器件瓷、厚膜和薄膜电路基板、晶闸管和外壳、电火花等6。氧化铝瓷是一种重要的耐火材料，主要用于制造火花塞、火箭、导弹流盖、轴承、活塞、燃气轮机的刀具、石油和化工用泵的密封圈、熔化金属的坩埚和高温热电偶套管等。氧化铝瓷也是主要的生物惰性瓷材料，在生物体内几乎不发生变化，具有良好的生物相容性7。此外，稀土掺杂氧化铝粉体在光学高温传感方面

14、显示出强大的应用潜力8。2.1氧化铝的晶体结构Al2O3瓷是以-Al2O3为主晶相的陶瓷材料，有十多种同素异形体，包括-Al2O3、-Al2O3和-Al2O3。Al2O3的晶体结构不同，性质也不同。-Al2O3属于尖晶石(立方)结构，其中氧原子以立方形状密集堆积，铝原子填充在间隙中。-Al2O3密度低，高温不稳定，可转化为-Al2O3。密度随着加热温度的升高而变化。图2-1显示了加热时-Al2O3的密度变化。工业Al2O3绝大部分是-Al2O3。-Al2O3在自然界是不存在的。它结构疏松，力学和电学性能较差，但可用于制作特殊用途的多孔材料。图2-1图2-1加热时-Al2O3的密度变化曲线-Al

15、2O3不是Al2O3的变体，而是一种高钠含量的聚合铝酸盐矿物。其化学式为na 2 o 11 al 2 o 3，密度为3.25g/cm3。当空气被加热到1600C时，它开始转化为-Al2O3。+空的迫使Al3+氧气-Al2O3是三方晶系，其单晶也叫刚玉，在室温下结构最稳定。其中氧离子占据了密排的六边形介电位置，铝离子排列在氧离子组成的八面体间隙中，但只填充了2/3，如图2-2+空的迫使Al3+氧气-图2-2-al2o 3的晶体结构2.2氧化铝的物理性质纯Al2O3是一种无色氧化物(红宝石)，含有红色的Cr(红宝石)、蓝色的Ti(蓝宝石)、绿色的Co、Ni、V(祖母绿)、玫瑰红的Fe和Mn等。熔点

16、2050，莫氏硬度9，密度3.95 4.10g/cm3，膨胀系数与金属相当。不溶于酸，具有良好的化学稳定性、介电性能和机械性能。-Al2O3的带隙为2.5eV，接近半导体的带隙。-Al2O3的禁带宽度为7.3 7.8 EV，是一种良好的绝缘材料。2.3添加剂在氧化铝陶瓷中的作用和机理在改善烧结性能方面，氧化物添加剂大致可以分为与Al2O3形成固溶体和与Al2O3形成液相两大类。第一类是变价氧化物，如TiO2、Cr2O3、MnO2等。因为它的晶格常数接近Al2O3，通常能与Al2O3形成固溶体。同时，由于化合价的变化，Al2O3存在缺陷，激活晶格，促进Al2O3的烧结性能，降低烧结温度。第二种类

17、型通过形成液相和降低烧结温度来促进Al2O3的烧结。3氧化铝瓷的制备工艺氧化铝陶瓷的制备工艺一般包括原料处理和加工、备料、成型和烧结。3.1原材料和加工工艺本实验的原料为工业氧化铝，主要晶型为-Al2O3，在低温下非常稳定。原料为疏松的白色结晶粉末，每个粉末颗粒由许多小尺寸的晶体组成，是多孔的球形聚集体。每个粒子可以包含106个小晶体。颗粒的孔隙占总体积的1/4 1/3。这种多孔疏松的结构不利于Al2O3晶体的相互接触，因此不利于烧结。需要添加剂来促进烧结。3.2配料的计算在瓷器的研究中，配料计算有两种，一种是由已知的预合成化合物的化学式计算原料配料，另一种是由期望的瓷器化学成分计算原料配料。

18、本课题选择前者，下面简要介绍其计算步骤:1)根据公式计算原料的摩尔比；2)根据原料纯度进行修正。将每种原料的摩尔比除以原料的纯度，得到每种原料的校正值；3)计算每种原料的质量；4)计算质量百分比。质量百分比等于每种原料的质量除以总质量；5)计算配料为x克时，每种原料所需的质量。必须注意的是，配料的计算虽然简单，但一定要细致准确，因为这是制造性能优良的瓷器部件的基础。同样，在称重加料时，也要保证计算出的成分准确落实。因此，在称重之前，必须将原料干燥以除去水分。一般在110C干燥4小时以上，或者降低干燥温度延长干燥时间。选择称重工具时，应根据精度要求合理选择。称重应尽可能快速准确。3.3材料准备过

19、程制备过程包括按比例称取原料，混合，研磨，干燥，加入粘合剂，造粒，制成符合成型工艺要求的粉末。在称重之前，原料需要经过干燥和筛分，其他的则需要进行预合成、煅烧等。，从而使原料具有所需的化学成分或晶体结构。原料的煅烧Al2O3具有多种晶体结构，晶体结构的相互转化会导致体积变化，影响烧结。因此，在制备氧化铝陶瓷时，应煅烧Al2O3，使-Al2O3转化为-Al2O3。当温度达到1050时，-Al2O3开始转变为-Al2O3。开始转化比较慢，但随着温度的升高，转化速度加快，1500C时转化接近完成，并有一定的体积收缩。为了加强这个过程，H3BO3，NH4F，AlF3等。可以适当添加。-Al2O3在其熔

20、点是稳定的。工业氧化铝含有大量Na2O。为了降低原料中的碱金属含量，可以加入1% 3%的H3BO3，在1420 1450煅烧，此时碱金属离子与H3BO3反应挥发。煅烧可以减少坯体在烧结过程中的收缩，提高粉体的活性，去除Al2O3原料中的Na2O，提高原料的纯度。3.3.2玻璃料合成化工原料多为单组分化合物，但在很多生产过程中需要多种原料。这种合成材料通常需要在800 1300的高温下煅烧，煅烧后的材料称为烧结块。合成过程多为固相反应。烧结块的温度选择非常重要。温度低，反应不充分，主晶相质量差；温度过高，烧块会变硬，不易粉碎，活性降低，使烧成温度升高、变窄。根据实验，确定合适的煅烧温度。烧结过程

21、中必须控制有害的游离成分。游离成分过多会造成工艺操作困难，严重影响样品性能。粉末的制备为了提高氧化铝陶瓷的性能，降低烧结温度，提高样品质量，粉体应尽可能的纯净、均匀和超细。粉末的制备方法有机械加工法(也称固相法)、液相法和气相法。由于操作简单易用，目前主要采用机械加工方式。下面简单介绍一下机械粉碎的原理和方法。1)球磨。球磨是最常用的粉碎和混合方法。将原料和磨球放入圆柱形球磨罐中。球磨机旋转时，带动球体对原料进行冲击和研磨，从而达到粉碎的目的。一般来说，球磨机的转速越高，粉碎效率越高。但当磨机的转速超过临界转速时，就会失去粉碎效果。磨机的临界速度可通过以下公式计算:(3-1)其中n为球磨机的转

22、速(转/分)；d是球磨机罐的直径(m)。上面的公式是经验公式，公式中的常数是通过实验确定的。有七个因素会影响粉碎和混合效率:= 1 * GB2球磨机的转速应略低于临界转速；= 2 * GB2球磨机的球径比、球形、硬度和质量。磨球大小要搭配得当，最大直径D/18 D/24，最小直径D/40；= 3 * GB2球磨机的负荷。一般装入的原料占球磨机体积的70% 80%。= 4 * GB2球、材料和水的比例。三者的比例根据原料的吸水率、原料的粒度、磨机的负荷而不同。通常的比例是球:料:水=(1 1.4):1:(0.8 1.2)；= 5 * GB2助磨剂的作用。当原料研磨到一定细度后，如果继续研磨，效率

23、会明显降低。这是因为粉碎后的细粉对大颗粒的粉碎有缓冲作用，较大的颗粒很难被进一步粉碎。为了提高研磨效率，使物料达到预期的细度，需要添加助磨剂，常用的有油酸和醇类。本实验使用聚乙二醇2000。= 6 * GB2分散介质的影响。球磨分为干法和湿法。干法不加分散介质，主要靠球的冲击力来粉碎物料。湿法需要水或乙醇作为分散介质，主要依靠球的研磨作用进行粉碎。由于水或其他分散介质的分裂作用，湿磨效率高于干磨。通常，水被用作分散介质。如果原料中有水溶性物质，可以使用乙醇等其他液体作为分散介质。= 7 * GB2球磨时间的选择。随着球磨时间的延长，球磨效率降低，细度缓慢增加。长时间的球磨也会引入更多的杂质。因

24、此，在满足适当细度的情况下，应尽量缩短球磨时间。例如混合4 8h，细磨20 40h等。球磨过程中不可避免地会引入杂质。为减少杂质污染，一般可采取以下措施:球磨时间不宜过长；球磨罐要有内衬(可用瓷砖、橡胶或耐磨塑料，小型球磨可用尼龙罐、塑料罐)；球可用鹅卵石、火石、玛瑙等制成。、或人造瓷球(如氧化铝瓷球、或与原料成分相似的瓷球)。对于耐酸原料，如果使用钢球或钢球球磨罐，球磨后的原料需要酸洗除铁。研磨、均匀混合和防止污染是功能瓷制备过程中必须考虑和研究的重要问题。一个图3-1行星磨原理22)行星磨。行星磨又叫颗粒球磨机。将四个重量相同的球磨罐放在同一个转盘上，使球磨罐“公转”，每个球磨罐围绕自己的

25、轴“自转”一个图3-1行星磨原理23.3.4浆料的压滤和捕集在工业上，压滤通常用于从湿细磨浆料中除去水。在压滤机(也称为泥浆压榨机)上压榨过滤。压力越大，泥饼含水率越小。压出来的泥饼一般是外硬内软，布水不均匀。所以这种泥饼一定要在没有阳光照射，空气不流通的房间里保存一段时间。这种操作被称为截留物质或腐烂。储藏室的温度应保持在20左右，相对湿度为80% 90%。在捕集过程中，在毛细管的作用下，含水率逐渐变得均匀。同时，坯体中有机物的腐烂可以提高坯体的可塑性。坯料被截留的时间越长，水的分布就越均匀，成形性就越好。一般被困时间为10 20天。3.3.5干燥，加入粘合剂，制粒为了有利于烧结和固相反应，

26、原料颗粒应尽可能细。但是，粉末越细，流动性越差。此外，随着比表面积的增加，粉末的体积也较大，使得干压时模具的每个角落都无法均匀填充，容易出现空隙、边角不固结、剥落、弹性后效等问题。使细粉变稠的唯一方法是造粒。制粒工艺是将磨细的粉末干燥，加入粘合剂制成流动性好的粗颗粒(粒径约0.1mm)。制粒工艺大致可分为加压制粒和喷雾干燥制粒。加压造粒是将混有粘结剂的粉末预压成块，然后粉碎过筛。通过这种方法生产的颗粒具有高堆积密度和高机械强度。加压造粒的工艺条件为:预压压力17.65MPa，用粉碎机粉碎，过8目粗筛，筛后物料返回粉碎机继续粉碎；通过40目筛后，剩余的物料仍应进行粉碎，使所有物料通过40目筛后，

27、再次通过40目筛，使物料粒度均匀。喷雾造粒法是将混有粘结剂的粉末制成浆料，或在细磨过程中加入粘结剂，用喷雾器喷入造粒塔进行雾化。雾滴在塔内与热空气混合干燥成干粉，由旋风分离器吸入料斗。该方法可获得流动性好、产率高的球形微丸，适用于连续生产和自动化成型工艺。造粒质量与浆液粘度、喷嘴压力和湿度等因素有关。3.4成型大多数坯件含有很少或没有粘土，所以大多数坯件是非塑性的。为了满足成型要求，通常在坯料中加入粘结剂。粘合剂的类型和用量由成型方法、原材料的性质、产品的形状和尺寸等因素决定。粘合剂是一种具有粘合性能的有机化合物。其作用是增加坯料的塑性和强度。它应满足以下要求:1)具有足够的粘度以确保生坯良好

28、的成型性和机械强度；2)经过高温煅烧后，可以完全挥发，在坯体中很少或没有粘合剂残留杂质；3)工艺简单，无腐蚀性，对瓷料性能无不良影响。常用的成型方法有挤压成型、干压成型、热压铸成型、灌浆成型、压延薄膜成型、等静压成型、热压成型和流延成型。下面简单介绍一下干压成型。干压成型是一种广泛使用的成型方法。该方法具有生产效率高、易于自动化、烧结收缩率低、不易变形的优点。但是，这种方法只适用于简单瓷件的成型，如圆片形等。，并要求更高的模具质量。控制干压成型坯料的含水率非常重要，一般在4% 8%左右。为了改善坯体的流动性，增加颗粒间的结合力，提高坯体的机械强度，通常需要加入粘结剂造粒。干压常用的粘合剂有石蜡

29、、酚醛清漆、聚乙烯醇水溶液、水、油酸和煤油的混合物、亚硫酸纸浆废液、苯胶等。本实验中使用的粘合剂是5%的水性聚乙烯醇(PVA)。干压成型应注意以下工艺问题:1)加压法。加压方式有单面加压和双面加压两种。一侧加压时，直接加压端压力高，密度大；远离加压端的压力小，坯体密度也小。两面压制时，坯体两端直接压制，所以两端密度高，中间密度低。如果坯料经过造粒、润滑，然后两面压制，坯料的密度会非常均匀。2)成型压力。成型压力直接影响瓷坯的密度和收缩率。成型压力小，瓷体收缩大。压力过高时，容易出现裂纹、脱层、脱模。成型压力一般在5.88414.710MPa之间。3)加压速度和时间。干压时，最好放慢模具的速度。

30、压力太快会导致坯体分层，表面致密，中间疏松，甚至坯体出现很多气泡。所以加压速度要慢，要有一定的保压时间。3.5出胶氧化铝陶瓷成型中经常使用有机粘结剂。在煅烧过程中，有机粘合剂从固体变成液体或气体，并从生坯中排出。坯体中有机粘结剂的熔化、分解和挥发会导致坯体变形和开裂。因此，需要先将坯体中的粘结剂去除，然后对样品进行烧结，以保证产品的形状、尺寸和质量要求。去除粘合剂的过程称为出胶。它有三个功能:1)除去生坯中的粘结剂，为下一步烧结创造条件；2)使坯体获得一定的机械强度；3)避免烧结过程中粘结剂的减少。干坯出胶技术。非塑料材料的薄膜成型含有大量的粘合剂，在烧结前要进行成型和出料。在成型炉中。将8

31、10个冲压好的坯料整齐叠放，压在光滑的钢板或玻璃之间，或夹在专门设计的成型夹具中，放入烘箱中，以4/min的速度升温，在250保温4小时。成形功能是从坯料中除去一定的水分和粘合剂，以获得平坦的形状和初步的凝固。成型后的坯料仍有较好的机械强度，仍可方便地装碗出胶。板坯的大小和厚度不同，出胶的温升曲线也不同。不同的粘合剂有不同的挥发速率和不同的放电曲线。以下出胶曲线供参考:0 100自由升温，100保温1h；100 350，升温速率为100/h；30 400，升温速率为40/h，在400保温3h。400C烘烤后，板强度低，不能移动。应加热到900C，其中500 900C，升温速率为100C/h，出

32、胶时要注意加强通风，使有机挥发成分和CO同时排出，并保持炉内处于氧化气氛中，这对于很多容易被还原的功能瓷材料来说是非常重要的。3.6烧结烧结是在高温作用下，使成型体致密化，完成预期的物理化学反应，达到所要求的物理化学性能的全过程。该过程通常分为三个阶段:从室温到最高烧结温度的升温阶段；高温保温阶段；从最高温度到室温的冷却阶段。3.6.1加热阶段这一阶段主要是水和有机粘结剂的挥发，结晶水和结构水的消除，碳酸盐的分解，有时还有结晶相变。除了结晶相变过程，其他过程都伴随着大量的气体排出。此时温度不能升得太快，否则结构会松动、变形、开裂。通常吸附水在200之前逐渐蒸发，有机粘结剂在200 350蒸发，

33、结晶水和结构水的去除与碳酸盐分解，视具体材料而定。保温阶段保温阶段是瓷器烧结的主要阶段。在这一阶段，所有组分经历充分的物理变化和化学反应，以获得所需的致密、结构和性能的瓷体。因此，必须严格控制烧结制度，尤其是最高烧结温度和保温时间。任何陶瓷材料都有一个最佳的烧结温度范围，实际的烧结温度要保证在这个范围内。各种瓷料的烧结温度范围不同。一般粘土瓷的烧结温度范围比较宽，大约在40 10 20左右，而大多数功能瓷只有10 20左右，有的只有5 10，在这种烧结过程中，坯体致密性好，不吸水，晶粒细小，具有良好的机电性能。超过这个范围，瓷的气孔率增加，机械性能和电性能下降。3.6.3冷却阶段从烧成温度冷却

34、到常温的过程称为冷却阶段。在冷却过程中，发生液相凝固、结晶、相变等物理化学变化。因此，冷却方式和冷却速度对瓷器的最终相组成、结构和性能有很大影响。在冷却阶段，有多种方式，如淬火、随炉急冷、随炉缓冷或缓冷、分段保温冷却等。缓冷相当于延长不同温度下的保温时间。因此，对于晶体生长能力强、玻璃相结晶倾向强的瓷料，晶粒有可能生长成大的晶体，玻璃相就会结晶，往往导致瓷的结构和致密性较差。对于这种瓷料，要快速冷却。在快速冷却时，应注意避免瓷体开裂和爆裂。快冷或淬火快冷的方法可用于结晶倾向强的瓷料或希望保持高温相的瓷料。4样品的制备本实验通过在Al2O3粉中掺入不同浓度的Cr粉并烧结，制备了掺Cr氧化铝陶瓷砖

35、，并对各样品的光电性能进行了测试。4.1实验设备1)称重设备:电子天平2)混合研磨设备:粉末冶金行星球磨机3)干燥设备:DHG-9248A鼓风干燥箱4)热处理设备:KTL1600管式炉5)样品检测设备:DX-2700X X射线衍射仪(XRD)、RF-5301PC荧光分光光度计、RTS-8四探针测试仪。6)压力设备:HY-12压片机4.2掺铬氧化铝瓷的制备1)原料:以Al2O3为主要原料，本实验使用的氧化铝粉纯度在95%以上。添加剂为200目铬粉。2)样品的成分和配方表4-1掺铬Al2O3粉末摩尔比公式样本数量氧化铝(摩尔)铬(摩尔)(Cr)(mol%)1#0.15800.00201.24882

36、#0.15160.01006.19513#0.14360.020012.2304根据要求的浓度称出每种粉末的质量，如下所示:表4-2掺铬Al2O3粉末的质量浓度公式样本数量氧化铝(克)铬(克)(Cr)(wt%)1#16.11150.10390.6412#15.46050.52073.2583#14.64641.04086.6353)实验样品的制备= 1 * GB2配料。湿磨法既可以增加粉体粘附在研磨机上的概率，又可以减少球磨机的磨损，所以本实验采用湿磨。按表4-2中的配方称取材料，将三组样品放入三个100mL尼龙球磨罐中，加入玛瑙磨球(大、中、小球质量比约为1:1:2，磨球个数大致为1、12、

37、70)，加入25mL去离子水和2g聚乙二醇2000分散剂。= 2 * GB2球磨。在粉末冶金行星球磨机中球磨10小时，转速为250转/分钟。= 3 * GB2吸滤。三组样品经气泵和滤瓶过滤10分钟。= 4 * GB2烘干。将过滤后的三组样品放入DHG-9248A鼓风干燥箱中，在80的恒温下干燥48小时。= 5 * GB2研磨过筛。干燥后，将三组饼样分别粉碎和研磨，然后通过200目(平均粒径75um)筛，以缩小粒径分布，使样品更均匀。= 6 * GB2预烧将三组粉末均匀倒入坩埚罐中，轻压使粉末更密实。然后放入KTL1600管式炉中进行预烧。预烧温度为1400，保温3小时。= 7 * GB2造粒。

38、预烧后压实的粉末成为块状，体积收缩率如表4-3所示。表4-3预烧后各组样品的体积收缩率样本数量1#2#3#体积收缩率31.11%24.86%14.4%将该块粉碎和研磨，并通过80目(平均孔径0.2毫米)筛。称取每组样品3g后，加入质量浓度为5wt%的PVA(聚乙烯醇水溶液)4mL，用磁力搅拌器搅拌约10h，直至成糊状。将样品在恒温干燥箱中干燥10h，然后取出，粉碎研磨，过80目筛。= 8 * GB2压缩成型。将每组样品称重并制成片剂。每次称0.3000g，用压片机将压力保持在16.5 MPa 1 2分钟。每组片剂压制后，堆成一叠，将一组(一叠)7片置于坩埚中烧结。= 9 * GB2烧结。将装有

39、三个堆叠的小晶片样品的坩埚放入KTL1600管式炉中进行烧结，并在1600下保温2小时。4)样品测试在室温下，用DX-2700 XRD测试每组样品。用RF-5301PC荧光分光光度计测量每组样品的发射光谱和激发光谱。荧光分光光度计的波长范围为220 900 nm，光源为氙灯。用RTS-8四探针测试仪测量了样品的电阻率。5实验结果及分析三组样品经过预烧、造粒、压片、出胶、烧结后，随着浓度的增加颜色变深，三组烧结样品如图5-1所示。图图5-1烧结样品的物理图。1#(左)、2#(中)、3#(右)1#样品为纯粉红色，2#和3#样品表面含有一些杂质样的深红色斑点。可能是球磨10h混合不均匀，或者是加入P

40、VA时搅拌10h时间略短。5.1发射光谱和激发光谱5.1.1烧结后每组样品的发射光谱和激发光谱图5-2显示了样品1#的荧光光谱。从图中可以看出，样品1#的主发射峰在691nm处，相当尖锐。在658纳米、667纳米、703纳米和711纳米处有次级发射峰。655 715 nm范围内峰位的激发光谱测试表明，上述所有峰位均为Cr3+发射峰。该实验与曾志江等人在透明氧化铝陶瓷中Cr3+的发光性质一文中测得的670nm和697nm处的发射峰略有不同，可能是因为掺杂浓度的不同。曾志江等人的掺杂浓度为0.1wt%，本实验样品1#的掺杂浓度更高，为0.64wt%。图5-3显示了样品2#的荧光光谱。分析与样品1#

41、的分析相同。从图中可以看出，样品2#的唯一发射峰在691nm处。图5-2 1 #样品的荧光光谱。发射光谱图5-2 1 #样品的荧光光谱。发射光谱(左)，激发光谱(右)图5-3样品图5-3样品2 #的荧光光谱。发射光谱(左)，激发光谱(右)a3#样品用波长为400nm、450nm、470nm、500nm的光激发后，再用220 320 nm左右的波长激发，没有发现固定的发射峰，其发射光谱如图5-4所示。从图中可以看出，样品3#有两个较远的发射波长，即365nm的紫色波长和709nm的红色波长。abc图bc图5-4 3 #样品的荧光光谱。发射光谱(a)，激发光谱(b，c)5.1.2不同浓度样品的发射

42、光谱和分析图5-5显示了每组样品在相同激发波长下的发射光谱。图图5-5同一激发波长下各组样品的发射光谱从四张图可以看出:1)样品1 #、2#和3#的峰强度通常依次降低。结果表明，本实验中掺杂浓度越高，样品的发光强度越低。这可能是因为掺杂浓度越高，样品的晶格畸变越严重，散射效应越显著。2)350nm和700nm附近的发射峰非常稳定，其他发射峰随着激发波长的增加逐渐红移。3)在上述四种激发波长下，三组样品都表现出上转换发光特性，即在泵浦光激发下，都能发出比激发光波长更短的荧光。但在本实验的浓度范围内，浓度对上转换发光特性的影响并不明显。5.2 X射线衍射分析用DX-2700 X射线衍射仪分析了三组

43、掺铬氧化铝陶瓷样品的晶体结构。测试条件:35kV/25mA，CuK辐射，扫描速度0.02/s，测得衍射角10 80(图中从20 80截取)。测试结束后，使用Jade 9.0软件进行分析。5.2.1预烧结和烧结后的XRD图像分析图5-6为三组样品预烧结和烧结后(以下简称烧结前后)的XRD图像，其中烧结曲线均上移500个单位。图图5-6烧结前后每组样品的XRD图像从图中可以看出:1)无论预烧结还是烧结后，每组样品的衍射峰都保持不变。说明浓度的变化对晶格影响不大，主要是因为Cr3+的半径和Al3+的半径相差不大，离子替代对晶格畸变影响不大。2)每组样品烧结后产生四个新的衍射峰A、B、C和D。根据Ja

44、de 9.0软件的分析，大概可以确定A峰是CrO2的衍射峰，B峰是Cr5Al8的衍射峰，而C峰暂时不确定是不是-Al2.427O3.64的衍射峰，D峰暂时未知。3)图中标有晶面指数的峰为-Al2O3的衍射峰。可以看出，样品中的晶型转化良好，几乎全部转化为-Al2O3。用Jade 9.0对预烧1#样品进行分析，发现主要晶型为Al2O3，还有-CrO2和-CrO2。样品2#是(Al0.948Cr0.052)2O3，样品3#也是(Al0.948Cr0.052)2O3。与2#和3#相比，1#预烧主要导致晶体转变和致密化，而2#和3#样品形成了Cr2O3和Al2O3的固溶体，这可能是由于Cr3+和Al3

45、+离子半径的不同，使Al2O3的晶格活化，从而降低了Al2O3的烧结温度，促进了Al2O3的烧结，说明实验中设定的初始预烧温度实际上已经达到烧结水平。而Cr3+的实测置换率为5.2%，高于样品2#的理论值3.2%，低于样品3#的理论值6.51%，这可能是由于样品2#中的Al3+缺陷导致Cr3+浓度相对较高。至于3#样品，具体原因未知。用Jade 9.0分析三组烧结样品，发现1#样品为Al2O3，2#样品为Al2O3(氧化铝)，3#样品为Al2O3(氧化铝)。1600烧结后，1#样品有固溶体，但2#样品的成分似乎没有变化。3#样品的成分与预烧时不同，Cr3+的置换率从5.2%下降到4%。出现这种

46、情况的原因可能是掺杂浓度过高，也会阻碍掺杂。综上，得出初步结论:在本实验中，Cr3+浓度的增加可以降低Al2O3的烧结温度，并且随着掺杂浓度的增加，掺杂变得更加困难。5.2.2单胞参数的计算和分析使用Jade 9.0软件计算样品的细胞细化度。表5-1显示了用-Al2O3烧结后每组样品的晶格参数。热膨胀系数包括线膨胀系数和体膨胀系数，其计算公式如下:(5-1)其中L和V为烧结前后晶格常数和晶胞体积的变化，T为烧结前后的温差。从表5-1可以看出，掺杂后晶格常数增加。随着掺杂浓度的增加，晶格常数逐渐增大。这是因为Cr3+的半径为0.061nm，比Al3+的半径大0.053nm，造成了Al2O3胞的畸

47、变。掺杂越多，畸变越严重，但对Al2O3晶格的总体影响不显著。从表5-2 5-4可以看出，晶格的变化很小，但浓度对其也有一定的影响。1#样品的膨胀系数均为负值，说明1#样品烧结后晶格结构收缩，样品更加致密。与样品1#相反，样品2#具有正膨胀系数。烧结后，晶格有所膨胀，样品比烧结前疏松。样品3#介于样品1#和样品2#之间，在aOb表面收缩，在垂直方向拉伸。但从体积的变化来看，3#样品的整体效果是烧结后变得更加致密。表5-1烧结-Al2O3后各组样品的晶格参数项目一个b ()c ()卷(三)密度(克/立方厘米)1#4.7589834.75898312.98902254.763.98722#4.76

48、8234.7682313.01472256.264.06503#4.7704514.77045113.0205256.614.0595-Al2O34.7404.74012.96252.83.994.0表5-2 5-4显示了烧结前后各组样品晶格参数的变化。表5-2 1号样品烧结前后的晶格参数项目一个b ()c ()卷(三)密度(克/立方厘米)1#(正面)4.7616134.76161312.994450255.153.98111#(背面)4.7589834.75898312.989020254.763.9872热膨胀系数(10-6)-2.761670-2.761670-2.089354-7.64

49、2563表5-3 2号样品烧结前后的晶格参数项目一个b ()c ()卷(三)密度(克/立方厘米)2#(正面)4.7673884.76738812.99559255.794.07252#(背面)4.768234.7682313.01472256.264.065热膨胀系数(10-6)0.8830830.8830837.3601899.187224表5-4 3号样品烧结前后的晶格参数项目一个b ()c ()卷(三)密度(克/立方厘米)3#(正面)4.7717664.77176613.01824256.714.07253#(背面)4.7704514.77045113.0205256.614.0595热

50、膨胀系数(10-6)-1.377897-1.3778970.868013-1.947723从三表的数据可以看出，掺杂浓度对烧结样品的密度有一定的影响:在本实验中，烧结样品的密度并不是随着浓度的增加而单调增加，而是在2#浓度处存在一个最小值。5.2.3平面间距分析图5-7显示了烧结后每组样品的每个衍射角对应的晶面间距。从图中可以看出:1)随着2的增大，晶面指数发生变化，对应的晶面间距(D值)非线性减小。2)不同浓度的掺杂对晶面间距的影响几乎相同，因为掺杂离子Cr3+的半径与Al3+的半径相近。图图5-7各样品晶面间距与2的关系。5.3四探针测试样品电阻率用RST-8四探针测试仪测试三组样品的电阻

51、率。测试仪样本的参数设置如表5-5所示:表5-5 RST-8四探针测试仪测量时设置的参数晶片识别测量范围(A)电流(A)平均探针间距(毫米)直径(毫米)直径修正系数厚度(毫米)厚度校正系数探针间距修正系数一个103.305一个124.2750.80.9663一个对每组样品在室温(25C)下测得的七组电阻率进行平均，得出表5-6:表5-6每组样品的平均电阻率(25C)数字1#2#3#平均电阻率(kcm)0.0950.0730.065从表5-6可以看出，随着浓度的增加，样品的平均电阻率逐渐降低。这可能是由于Cr3+取代Al3+引起的晶格畸变。Cr3+的半径比Al3+大，原子核对电子的束缚作用相对较

52、弱，电子的运动增强，导致电阻率降低。掺杂浓度越高，这种趋势越强，使得高浓度掺杂样品的电阻率越低。结论对掺杂浓度为0.641wt%、3.258wt%和6.635wt%的三组样品的荧光光谱进行了分析，得到了以下结论:1)在本实验的掺杂浓度范围内，Cr3+的掺杂浓度越高，样品的荧光发射强度越低。可能是掺杂浓度越高，样品的晶格畸变越大，散射效应越强。350nm和700nm附近的发射峰非常稳定，其他发射峰随着激发波长的增加逐渐红移。3)三组样品都表现出上转换发光特性，即在泵浦光激发下，都能发出比激发光波长更短的荧光。但在本实验的浓度范围内，浓度对上转换发光特性的影响并不明显。4)在本实验中，Cr3+浓度

53、的增加可以降低Al2O3的烧结温度。另外，随着掺杂浓度的增加，掺杂变得更加困难。通过XRD分析，得出以下结论:1)烧结前后，各组样品的衍射峰基本保持不变。说明温度的变化对晶格的影响很小。同时横向对比发现，浓度的变化对烧结前后的晶格影响不大，这主要是由于Cr3+的半径与Al3+的半径相近，离子替代引起的晶格畸变很小。2)烧结后在每组样品中产生四个新的衍射峰。可以确定A峰是Cr4+的衍射峰，B峰是Cr5Al8的衍射峰，C峰暂时不能确定为-Al2.427O3.64的衍射峰，D峰未知。3)随着掺杂浓度的增加，各组样品的晶格常数增加，这是因为Cr3+的半径为0.061nm，比Al3+的半径大0.053n

54、m，导致Al2O3晶胞轻微畸变。4)随着2的增大，晶面指数发生变化，对应的晶面间距D值逐渐减小。5)不同浓度的掺杂对晶面间距的影响几乎相同，因为掺杂离子的半径与Al3+相近。用四探针测试仪测量每组样品的电阻率，发现随着掺杂浓度的增加，样品的电阻率逐渐降低。参考1品、傅洲、郭振。材料科学基础教程第3版M。:理工大学，2009年。2室谷H，米图达T，若木M等.挤压成型法制备高掺铬Al2O3陶瓷的光学特性。日本。j .应用物理学。, 2000, 39: 2748-2749.伊恩郑国。具有光电功能的透明陶瓷及其应用J.化学工程与设备，2008，(1): 46-48。曾志江，邱虹，徐军. Cr3+在透明

55、氧化铝陶瓷中的发光特性J.激光与光电子学进展，2005，42(7): 42-44。易，智军，王世伟。透明氧化铝陶瓷研究的新进展J.无机材料学报，2010，25(8): 795-800。关长斌，郭英奎，于成。陶瓷材料概论M。工程大学，2005。屈方圆。功能陶瓷及其应用M。:化学工业，2003年。8董斌。稀土掺杂氧化铝粉体的上转换发光特性研究J.理工大学博士论文，2006。致谢本文是在卫青先生的热情关怀和指导下完成的，他渊博的知识和严谨的治学态度让我受益匪浅。从论文选题开始，老师就开始给我细心的指导和帮助，对我顺利完成这个题目起到了很大的作用。我想在这里向他表达我的心声！在完成论文的过程中，还得到了解、向、川、王伟等同学的热心帮助。在此向他们表示深深的感谢！最后，向所有在百忙之中审阅本文的专家和老师们表示衷心的感谢！作者简介姓名何性别:男出生日期:1988年5月民族:汉族电子邮件: HYPERLINK mailto:hejianzhao.v163%20%20%20%20 河间招. v163明升本论文工作于2011年3月至2011年6月在信息工程学院光电技术学院完成。除特别注明外，文中不包含他人已发表或撰写的研究成果，也不包含用于获取信息工程学院或其他教学机构的学位或证书的材料。关于学位论文使用权和研究成果知识产权的说明；我完全理解信息工程学院关于保存和使