Mg0.27Al2.58O3.73N0.27透明陶瓷机械性能评价

MgAlON透明陶瓷具有优良的光学与机械性能, 在军用和民用领域均具有重要的应用潜力。本研究表征并评价了Mg_0.27Al_2.58O_3.73N_0.27透明陶瓷的机械性能, 实验测定了Mg_0.27Al_2.58O_3.73N_0.27透明陶瓷的维氏硬度、断裂韧性以及室温和高温断裂强度, 并使用Weibull函数对室温断裂强度测试结果进行统计。结果表明: 该透明陶瓷特征断裂强度为255 MPa、断裂韧性为2.56 MPa/m^1/2、杨氏模量为288 GPa、硬度为15.1 GPa。样品的Weibull模数为4.5, 1200℃下样品断裂强度达125 MPa。同时还测定了不同载荷下Mg_0.27Al_2.58O_3.73N_0.27透明陶瓷的硬度与不同载荷加载速率下的断裂强度。研究表明MgAlON光学透明陶瓷机械性能介于AlON和MgAl₂O₄之间。     

MgO·1.5Al2O3透明陶瓷的无压/热等静压烧结制备

镁铝尖晶石透明陶瓷是典型的结构功能一体化材料, 具有优异的光学和机械性能。实验合成了颗粒细小、均匀的单相MgO·1.5Al₂O₃陶瓷粉末, 并且利用XRD全谱拟合软件Fullprof和尖晶石位置分配程序SIDR两步法确定其晶体结构为(Mg_0.46Al_0.54)^IV[Mg_0.26Al_1.64□_0.09]^VIO₄。再通过真空无压烧结结合热等静压烧结制备出了高性能的透明陶瓷, 热等静压18 MPa下1850℃烧结4 h所得样品的致密度达到99.75%, 厚度为2 mm的烧结样品可见光透过率达到65%, 红外波段透过率达到80%以上, 维氏硬度为(12.75±0.12) GPa, 杨氏模量为277 GPa。     

基于键价模型的MgAl2O4透明陶瓷热机械性能预测

尖晶石型陶瓷具有优异的热机械性能, 在高温结构材料领域具有良好的应用前景。本研究将键价模型与高温机械性能理论表征模型相结合, 建立了从变温晶体结构出发预测尖晶石型陶瓷高温热机械性能的方法, 阐明了晶体结构与高温热机械性能之间的关系。采用该方法预测了MgAl₂O₄透明陶瓷的高温断裂强度和断裂韧性, 其预测结果与实验值吻合。研究表明, MgAl₂O₄中阳离子反位率、化学键硬度和体模量随温度的变化在800 ℃上下存在显著差异, 然而由于配位多面体的耦合作用, 阳离子反位的温度效应不会显著影响MgAl₂O₄透明陶瓷的高温热机械性能。     

ZnO·2.56Al2O3透明陶瓷凝胶注模成型与烧结制备

锌铝尖晶石透明陶瓷是典型的结构功能一体化材料, 具有优异的光学、热学以及介电性能。本研究以ZnAl₂O₄和Al₂O₃为原料, 通过凝胶注模成型制备ZnAl₂O₄-Al₂O₃复相陶瓷初坯。实验探究了分散剂含量、pH以及固相量对ZnAl₂O₄-Al₂O₃混合料浆流变学特性的影响, 制得固相量为50vol%的低黏度稳定料浆。浇注成型后的坯体通过无压烧结和热等静压反应烧结制备透明陶瓷。最终获得的ZnO·2.56Al₂O₃透明陶瓷样品在厚度为1.8 mm下可见光波段透过率达到70%, 红外波段透过率达到80%以上, 维氏硬度为(11.34±0.17) GPa, 杨氏模量为285 GPa。     

细晶MgO·1.44Al2O3透明陶瓷的制备及其性能研究

晶粒细化是提高镁铝尖晶石透明陶瓷机械性能的有效途径之一。本研究采用单相MgO·1.44Al₂O₃陶瓷粉体, 首先通过放电等离子烧结进行成型和预致密化, 然后无压烧结达到烧结末期, 最终在180 MPa下1500 ℃热等静压烧结5 h, 制备出细晶MgO·1.44Al₂O₃透明陶瓷。无压烧结的结果表明: 缩窄气孔尺寸分布、降低平均气孔尺寸有助于显著促进陶瓷的致密化, 得到平均晶粒尺寸为1.4 μm、致密度为96.7%的闭气孔烧结体。透明陶瓷的平均晶粒尺寸为1.9 μm, 维氏硬度为(13.94±0.20) GPa, 杨氏模量为289 GPa。同时, 样品具有良好的光学透过率, 厚度为2 mm的样品在可见光和红外波段的最大直线透过率分别为70%和80%。     

保温时间对β-Sialon结合镁铝尖晶石-碳材料的影响及其氧化动力学

以电熔尖晶石、Si粉和鳞片石墨为主要原料, 木质磺酸钙溶液(1.25 g/mL)为成型结合剂, 在氮气气氛下1450℃分别保温1、2、3和4 h原位生成β-Sialon结合MgAl₂O₄-C材料, 研究了保温时间对材料的物相组成、β-Sialon的显微结构及常规物理性能的影响, 并对该复合材料进行氧化动力学研究。结果表明: 当保温时间从1 h增加到4 h, 试样的物相变化规律基本相同, Si单质相消失, 完全转化为SiC、Si₃N₄和β-Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)。当保温时间为3 h时, 生成的β-Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)为完整圆柱状晶粒, 尺寸分布均匀, 交错成网络结构。随着保温时间的增加, 试样内部产生较多的SiO气体, 导致试样的显气孔率增加, 体积密度下降, 耐压强度和抗折强度先增加后下降, 当保温时间为3 h时, 耐压强度和抗折强度达到最大。氧化动力学研究表明, 氧化过程随着时间的推移分为化学反应控制阶段、化学反应和扩散共同控制阶段及扩散控制三个阶段。     

固体激光用Nd:Lu2O3透明陶瓷的制备和光学性能研究

Nd:Lu₂O₃材料由于具有高热导率、低声子能量和优异的光学特性而成为非常有前景的高功率固体激光器用的增益介质。但Lu₂O₃单晶的熔点超过2400 ℃, 难以生长, 而Lu₂O₃陶瓷既能在低温下制备, 又具有与晶体相当的光学性质和激光性能从而备受关注。本研究制备了高透明的Nd:Lu₂O₃陶瓷并对其光学性质和激光性能进行探究。以共沉淀法制备的纳米粉体为原料, 采用真空烧结结合热等静压(HIP)两步烧结法制备了1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷。对制备的粉体、素坯和陶瓷的微结构进行了表征: HIP后处理的陶瓷平均晶粒尺寸是724.2 nm。厚度为1.0 mm的1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷在1100 nm处的直线透过率是82.4%, 样品在806 nm处的吸收截面为1.50′10^-20 cm², 而根据荧光光谱计算得到的发射截面为6.5′10^-20 cm²。分别在878.8 和895.6 nm波长激发下, 1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷⁴F_3/2·⁴I_11/2跃迁的平均荧光寿命均为169 ms。当输出耦合镜的透过率T_OC=2.0%时, 退火后的1.0at% Nd:Lu₂O₃透明陶瓷获得了最大输出功率为0.47 W的准连续(QCW)激光输出, 斜率效率为8.7%。本研究成功制备了显微结构均匀、高透明度的1.0at%Nd:Lu₂O₃陶瓷, 并展示了其在固体激光增益介质领域的广阔应用潜力。     

湿化学法合成富锂和掺铝尖晶石型锰酸锂及其电性能的改善

采用湿化学法–后续热处理技术, 合成了尖晶石型锰酸锂正极材料Li_1.035Mn_1.965O₄ 和Li_1.035Al_0.035Mn_1.930O₄。X射线衍射(XRD)结果表明这两种材料呈现出良好的尖晶石型结构。透射电子显微镜(TEM)表明Li_1.035Al_0.035Mn_1.930O₄材料具有很好的结晶态。充放电测试表明Li_1.035Al_0.035Mn_1.930O₄材料具有优良的循环性能和倍率性能: 以0.5C充放电, 经过100次循环后放电容量保持率为96.4%, 经过4C放电后仍然能够保持0.5C放电态容量的79.6%。     

碳钢坩埚表面渗铝复合涂层

以碳钢板为基板材料, 通过表面渗铝和高温化学反应在其表面形成复合保护涂层。研究了反应层厚度与反应温度、时间之间的关系, 并用光学显微镜、XRD对涂层形貌、相组成进行了表征。实验结果表明: 反应产物层厚度随反应温度、时间的增加而增加; 复合涂层由过渡层和反应产物层组成, 过渡层组成为Fe₃Al及少量Fe₂Al₅、Fe₁₄Al₈₆、Al₂O₃, 反应产物层组成为TiB₂、MgO和少量的Mg₂TiO₄、Mg₂B₂O₅、Fe₃Al、FeAl、Ti₂B₅。      

复合烧结助剂对Si3N4陶瓷力学性能和热导率的影响

Si₃N₄陶瓷因兼具优异的力学和热学性能, 成为第三代半导体陶瓷基板的首选材料之一。本研究以7种不同离子半径的稀土氧化物(RE₂O₃, RE=Sc、Lu、Yb、Y、Gd、Nd、La)与非氧化物(MgSiN₂)作复合烧结助剂, 通过热压烧结和退火热处理制备了高强、高热导Si₃N₄陶瓷, 并系统研究了复合烧结助剂中RE₂O₃种类对Si₃N₄陶瓷物相组成、微结构、力学性能和热导率的影响规律。热压后Si₃N₄陶瓷力学性能优越, 其中添加Nd₂O₃-MgSiN₂的样品弯曲强度达到(1115±49) MPa。退火处理后Si₃N₄陶瓷的热导率得到大幅提升, 呈现出随稀土离子半径减小而逐渐增大的规律, 其中添加Sc₂O₃-MgSiN₂的样品退火后的热导率从54.7 W·m^-1·K^-1提升至80.7 W·m^-1·K^-1, 提升了47.6%。该结果表明, 相较于国际上通用的Y₂O₃-MgSiN₂和Yb₂O₃-MgSiN₂烧结助剂组合, Sc₂O₃-MgSiN₂有望成为制备高强度、高热导Si₃N₄陶瓷的新型复合助剂。     

引入MgAl_2O_4对Ti_3SiC_2基复合材料性能的影响

采用反应热压烧结法制备MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料,研究热压温度和MgAl2O4含量对该复合材料相组成、力学性能及抗氧化性能的影响。结果表明:热压温度影响MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料相组成,在1 450℃烧结可得到性能良好的MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。引入适量的MgAl2O4,起到弥散强化的作用,有助于提高复合材料的力学性能,当引入量为20wt%时,抗弯强度为527.6 MPa,断裂韧性为7.09 MPa·m1/2。MgAl2O4/Ti3SiC2试样的抗氧化性能优于Ti3SiC2试样。MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料在1 400℃氧化后的氧化层分两层,外层是Mg0.6Al0.8Ti1.6O5和金红石型TiO2,内层是由TiO2、方石英SiO2及少量未氧化的基体相混合组成。     

Formation of MgAl2O4 in Al2O3-(Al-4wt.%Mg) composites

The Al₂O₃ particles are introduced into the Al-4wt.%Mg melt by the “vortex” method. After being cast, Al₂O₃-(Al-4wt.%Mg) composites are remelted at 700, 750, 800 and 850°C for different residence times to investigate the formation of MgAl₂O₄ (spinel).

The results show that MgAl₂O₄ is the unique interface of the Al₂O₃-(Al---Mg) composites held at 700–850°C. Fine MgAl₂O₄ crystals grow on the surface of the Al₂O₃ particle but, as the holding temperature and the residence time increase, some spinels will form themselves into pyramidal shape. The MgAl₂O₄ grows not only at the matrix-particle interface but also on the surface of the composite specimens. The formation reactions of interfacial MgAl₂O₄ are as follows: Mg(1) + 2Al(1) + 2O₂(g) = MgAl₂O₄(s)3Mg(1) + 4Al₂O₃(s) = 3MgAl₂O₄(s) + 2Al(1) Both of them are equally important.     

Hot Isostatic Pressing of MgAl2O4 Spinel Infrared Windows

Optically transparent MgAl₂O₂ spinels have been produced by hot isostatic pressing (HIP). The spinel samples were prepared by hot pressing and subjected to capsule-free HIPing. The hot-pressed samples were made at 1500°C with a pressure from 14 to 41 MPa for 2 to 4 hours. In the HIP process, the pressure ranged from 14 to 207 MPa at 1500°C. The effect of hot isostatic pressure on the bulk density, microstructure and optical properties of the spinel sample were investigated here. The bulk density of the sample increased with HIP pressure and the sample HIPed at 207 MPa resulted in a bulk density of 3·576 g/cm³, about 99·94% of the theoretical density. A bimodal grain size distribution exists in samples HIPed at pressures ≤ 138 MPa. The extent of the abnormal grain growth decreased with pressure. The transparent spinel with uniform and fine grain size of 2 μn was obtained at 207 MPa. The transmission at short wavelength increased significantly with HIPing pressure. The transmittance of the sample HIPed at 207 MPa at a wavelength of 0·7 μn was 72%.