单分散球形YAG透明陶瓷粉体的喷雾造粒制备及其性能表征

采用无水乙醇基浆料结合喷雾造粒工艺制备YAG透明陶瓷粉体, 通过扫描电子显微镜、压汞仪、能谱仪及紫外–可见–红外透过光谱系统研究了不同PVB粘结剂添加量下YAG造粒颗粒的形貌、尺寸、成型性能及其破碎行为, 对成型素坯的孔分布及烧制透明陶瓷的显微结构及光学性能进行了详细表征。在优化PVB添加量为1.0wt%时, 造粒粉体为实心单分散颗粒, 球形度高、化学均匀性好, 其平均粒径约为40 μm, 成型性能优异; 在75 MPa压力下, 造粒颗粒完全破碎形成密实均一的坯体结构。烧结后的YAG透明陶瓷显微结构均一, 无气孔及其他缺陷, 光学质量优异。     

高精度复杂形状碳化硅陶瓷制备工艺研究

研究了一种复杂形状碳化硅陶瓷制品制备工艺—陶瓷素坯加工工艺(GCM,Green ceramic machining).采用凝胶注成型工艺制备出简单形状碳化硅陶瓷素坯,通过数控机床对素坯陶瓷进行三维加工.研究了凝胶注模成型碳化硅陶瓷素坯强度以及显微结构,并对其加工性能(钻孔、挖槽)以及加工工艺参数进行的研究,优化了加工工艺参数并制备出了复杂形状的高精度碳化硅陶瓷制品.     

直接凝固注模成型氮化硅陶瓷

直接凝固注模成型是一种新颖的原位凝固成型工艺,特别适合于复杂形状陶瓷部件的成型．通过粉体的表面改性、浆料ｐＨ值的调节以及引入高效分散剂等途径制备出了低粘度高固含量的氮化硅浆料,通过直接凝固注模成型可以获得适当的素坯密度和强度．坯体气孔分布均匀,为较窄的单峰分布,断口光滑平整,坯体各部位密度具有很好的均匀性．在相对较低的烧结温度下（１７５０℃）,成型坯体经过无压烧结可达到理论密度的９８％,基本实现致密化．烧结体结构均匀,晶粒均匀生长,发育良好．经１８００℃烧结２ｈ后,抗折强度达７５８．４ ＭＰａ,断裂韧性为６．３ＭＰａ·ｍ^１／２．     

基于疏水作用的陶瓷浆料自发凝固成型研究进展

自发凝固成型是一种新型的陶瓷浆料原位固化成型方法, 通过吸附在陶瓷颗粒表面的分子链间弱作用(氢键, 疏水作用)实现浆料的固化, 具有普适性和适于常温大气环境操作的特点, 已成为先进陶瓷制备领域的研究热点。本文简述发现兼具分散和凝固功能的阴离子型高分子分散剂的历程, 以及自发凝固成型与其它原位固化成型的异同。在此基础上, 基于疏水作用设计合成了系列自发凝固成型剂, 进而满足以不同尺寸颗粒为原料的致密陶瓷和泡沫陶瓷的自发凝固成型。综述了面向实际应用所开发的陶瓷无界面连接、晶粒定向构造、干燥脱水等关键技术, 以及致密陶瓷和泡沫陶瓷制备等研发进展, 展望了未来自发凝固成型的发展方向。     

水溶性共聚物为交联剂的凝胶注成型AlN陶瓷的研究

本研究采用一种快速凝胶的氮化铝凝胶通过在氮气气氛下烧结制备AlN陶瓷。将AlN粉体、少量的Y₂O₃粉体(烧结助剂)和去离子水以一定比例混合制得AlN浆料, 在浆料中加入一种新型的水溶性共聚物Isobam(由异丁烯和马来酸酐形成的共聚物)作为交联剂, 所得浆料在室温空气中自发凝胶成型。研究了Isobam和AlN、Y₂O₃粉体表面的有机包裹剂聚亚氨酯对浆料流变性能和凝胶性能的影响。结果表明, 加入0.3wt% Isobam可制备出固含量达52vol%的低粘度(0.2 Pa·s)AlN浆料。将凝胶干燥并脱粘, 获得的AlN素坯在氮气气氛下1800 ℃烧结4 h, 可制备出鳍状AlN陶瓷, 所得陶瓷的密度为3.33 g/cm³, 热导率为204 W/(m·K)。     

2011中国材料界要闻

在国际上独立提出常压固相烧结制备大尺寸轻量化碳化硅反射镜材料的技术路线,突破了1m以上径轻量化碳化硅反射镜材料关键制备技术：发明了适用于大尺寸碳化硅陶瓷素坯成型的专用粉体处理技术以及复杂结构陶瓷素坯的精密成形技术,有效避免了陶瓷材料内部微气孔缺陷,确保了镜面光学质量;     

两步烧结法合成钇铝石榴石透明陶瓷

用共沉淀法制备的平均粒径为50nm的钇铝石榴石纳米粉体为原料, 以0.5wt%的正硅酸已脂为烧结助剂, 采用两步烧结的工艺路线制备了YAG透明陶瓷. 将成型后的素坯在真空炉内首先加热到一个较高的温度(1700～1800℃), 再快速降温至较低温度(1500～1600℃), 并在此较低温度下保温10h. 通过抑制晶界迁移, 促进晶界扩散, 在较低的保温温度下制备了YAG透明陶瓷. 当两步烧结温度分别为1800℃和1550℃时, YAG透明陶瓷在可见光下的透过率为72%, 晶粒尺寸为6μm.     

凝胶离心成型制备316L-TiC复合材料

将凝胶离心成型工艺应用于316L-TiC复合粉末的坯体成型,研究了固含量对316L-TiC复合粉末浆料流变性的影响以及引发剂的加入量对粉末浆料固化时间的影响,分析了凝胶离心成型工艺中离心转速与316L-TiC坯体的密度和强度的关系。结果表明:以油酸作分散剂,制备稳定且流动性好的浆料的最佳固含量为55%(体积分数);引发剂的加入量为0.7%(占预混液的质量分数),采用自行设计的离心成型机,选择最佳转速3000rpm,制备出的坯体密度高、无残留气孔,相对密度64.3%,强度26.3MPa。坯体经真空脱胶烧结1380℃保温1h制备出316L-TiC合金管,烧结体收缩均匀无变形,TiC颗粒呈均匀分布。     

凝胶注模成型制备医用多孔钛植入材料及其性能

应用一种新的近净成型技术——凝胶注模成型技术，成功制备大尺寸、复杂形状医用多孔钛人造骨替代材料，并研究了凝胶注模成型工艺参数对浆料流动特性、坯体强度及烧结体孔隙、力学性能的影响。研究结果表明：预混液中有机单体的浓度、单体／交联剂比例以及固相含量是决定钛粉浆料表观粘度、Gelcasting坯体强度的重要参数；对于医用多孔钛植入材料的凝胶注模成型工艺，适合的顸混液单体浓度为30％（质量分数），单体，交联剂比例为120：1，浆料固相含量为34％（体积分数）；1100℃保温1．5h是凝胶注模成型多孔钛较为适合的烧结工艺路线；所制得孔隙度46．5％、开孔隙度40．7％多孔钛的抗压强度158．6MPa、弹性模量8．5GPa，与自然骨基本匹配，适合作为人造骨替代材料。     

成型工艺对氮氧化铝微观结构和性能的影响

氮氧化铝(AlON)透明陶瓷具有优异的光学、热学和机械性能,可广泛应用于光电窗口、整流罩、透明装甲等领域。成型高致密度、结构均匀的素坯是制备氮氧化铝透明陶瓷的关键技术环节。但是纳米粉体比表面积大,易产生非均匀团聚,导致成型坯体致密度差。为了提高素坯密度和均匀性,本文首先通过优化喷雾造粒工艺实现纳米粉体微球化,获得直径大于10μm、具有良好流动性的致密球形颗粒。然后分析成型压力对素坯的密度、微观结构、平均孔径及陶瓷性能的影响,得到相对密度58.8%的素坯,烧结陶瓷片在200 nm处直线透过率达到83%(厚度2 mm)。最后采用冷等静压成型/常压烧结技术制备出Φ170 mm平板和Φ110 mm球罩样件。     

宽光谱透过Mg0.9Al2.08O3.97N0.03透明陶瓷的制备与性能研究

MgAl₂O₄透明陶瓷具有优异的光学性能, 但其较差的机械性能和成型过程中的水解问题限制了实际应用, 通过组成设计MgAlON四元尖晶石可以有效调节其综合性能。本研究采用凝胶注模成型、无压烧结和热等静压处理制备了一种具有宽光谱透过范围的新型Mg_0.9Al_2.08O_3.97N_0.03透明陶瓷, 系统比较其与MgAl₂O₄透明陶瓷的光学性能和机械性能, 分析了低应力下裂纹的缓慢扩展并预测使用寿命。研究表明：固相体积分数为50%的陶瓷浆料粘度最低, 为124 mPa·s, 满足凝胶注模成型的需求; 2 mm厚的Mg_0.9Al_2.08O_3.97N_0.03透明陶瓷样品在3.7 μm处的直线透过率达86.2%, 光学透过范围与MgAl₂O₄相比拟, 折射率和阿贝数略高于MgAl₂O₄; 同时, 该陶瓷具有和MgAl₂O₄相近的Weibull模数, 尽管裂纹缓慢扩展系数比MgAl₂O₄小, 但特征强度(210.6 MPa)和惰性强度(227.5 MPa)均高于MgAl₂O₄。包含少量N的MgAlON尖晶石较好地克服了陶瓷粉体的水解问题, 并在保持优越光学性能的前提下显著提高了透明陶瓷的机械性能。本研究为尖晶石型透明陶瓷的制备与性能的改善提供了新的途径。     

醇水共沉淀法制备Yb:YAG透明陶瓷及其性能研究

Yb:YAG透明陶瓷由于具有宽的吸收带和发射带、高增益、低的热负载、长的荧光寿命、高的量子效率等优点而成为有应用前景的高功率固体激光器用增益介质。本研究优化了粉体的性能并制备了高透明的Yb:YAG陶瓷。以碳酸氢铵为沉淀剂, 分别以纯水或乙醇/水混合物为溶剂, 采用共沉淀法合成了5at%Yb:YAG纳米粉体。在1250 ℃下煅烧4 h得到的所有粉体均为纯YAG相。与纯水溶剂制备的粉体相比, 醇水溶剂制备的粉体具有更小的平均晶粒尺寸和更低的团聚程度。以醇水溶剂制备的粉体为原料, 采用真空烧结法在不添加烧结助剂的情况下成功制备了5at%Yb:YAG透明陶瓷, 并对1500~1825 ℃烧结20 h和1800 ℃烧结10~50 h所得陶瓷的微观结构和直线透过率进行了探究。除在1825 ℃下烧结20 h所得的陶瓷外, 其余的5at%Yb:YAG陶瓷都具有均匀的微观结构。在1800 ℃下烧结50 h制备的5at%Yb:YAG陶瓷具有最高的光学质量, 在1100和400 nm处的直线透过率分别为78.6%和76.7%(样品厚度为2.2 mm)。该Yb:YAG透明陶瓷在937 nm处的吸收截面为5.03×10^-21 cm², 在1031 nm处的发射截面为13.48×10^-21cm²。     

聚丙烯酸铵和柠檬酸铵分散剂对钇铝石榴石陶瓷透光率的影响

使用超声波-微波辅助的醇盐水解沉淀法合成了Y_3Al_5O_(12)(YAG)前驱体,加入烧结助剂及分散剂后真空烧结制备了YAG透明陶瓷,并对添加不同分散剂烧成的YAG透明陶瓷的晶相结构、微观形貌及光学性能进行了表征。结果表明:添加不同分散剂均可获得纯相YAG透明陶瓷;添加聚丙烯酸铵(NH_4PAA),晶粒之间没有明显的晶界,且气孔较大;添加柠檬酸铵(AC),晶粒分散良好,平均晶粒尺寸约为3μm。未添加分散剂时,YAG透明陶瓷在近红外波段处透光率为76%;添加NH_4PAA时,透明陶瓷透光率较低,仅为51%;而添加AC后透明陶瓷透光率可达到78%。添加AC能够细化YAG透明陶瓷晶粒,促进残余气孔排出,从而使YAG透明陶瓷获得更高的透光率。     

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%。     

LiF对镁铝尖晶石透明陶瓷红外透过率的影响

以溶胶-凝胶法制备镁铝尖晶石(以下简称“尖晶石”)粉末, 掺入0~2.5wt%的LiF, 经球磨后, 测试混合粉末的物相组成. 采用热压(HP; 32 MPa/1550℃)及热压结合热等静压(HP/HIP; 热等静压工艺条件为150 MPa/1700℃)工艺制备出尖晶石透明陶瓷. 分析测试了掺入不同LiF的尖晶石陶瓷的结构和红外透过率, 采用感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, 或ICP)方法测定了LiF掺杂后的粉料和透明陶瓷中的Li离子含量. 实验显示, LiF的加入促进了尖晶石晶粒长大和气孔的排除, 并促进了尖晶石陶瓷烧结的致密化进程. 添加1.0wt%~1.5wt% LiF的尖晶石透明陶瓷具有最高的红外透过率. LiF在尖晶石陶瓷中形成残余物质, 添加过量的LiF对尖晶石陶瓷的光学性能会产生不利影响.     

MMA-粉煤灰漂珠体系凝胶注模成型制备多孔陶瓷

以甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体,粉煤灰漂珠为骨料,采用非水基凝胶注模成型工艺制备多孔陶瓷。考察了MMA含量对浆料性能的影响、MMA预聚合方式对浆料成型的影响以及生坯的排胶与烧结方法,并对多孔陶瓷性能进行了表征。研究表明:微波预聚合可缩短诱导期、加速MMA本体聚合;过高的微波功率和引发剂用量使反应加速,不利于聚合稳定;提高预聚合程度有助于缩短浆料固化时间、降低生坯体积收缩;为保证浆料的流动性及生坯的完整性,应将MMA预聚液含量控制在45wt%~60wt%;生坯(MMA 50wt%)在380℃排胶1h、1050℃烧结2h,得到的多孔陶瓷抗弯强度为40.35MPa,显气孔率为42.03%,平均孔径为1.12μm。     

非氧化物陶瓷光固化增材制造研究进展及展望

目前光固化3D打印技术因打印成型精度高而被广泛应用于陶瓷增材制造, 其中非氧化物陶瓷如碳化硅、氮化硅等因打印材料粉体折射率和吸光度比较高, 光固化陶瓷浆料存在分散稳定性差、入射光难穿透并产生光固化反应的固化层厚度低等问题, 导致其固含量很难提高甚至于无法打印成型。高固含量的非氧化物陶瓷打印成型成为光固化3D打印的主要难点, 吸引了广大学者对其光固化机理、粉体调控等机制进行研究。本文系统地总结了几种非氧化物陶瓷光固化浆料的制备、光固化成型、有机物去除及烧结致密化的研究工作, 并就如何对光敏树脂组成进行调节、对陶瓷粉体进行改性的几种方法进行分析与讨论, 针对性地提出创新方案来改善非氧化物陶瓷的浆料性能、光固化打印优化和致密化缺陷修复及性能提升, 最终推动大尺寸、复杂结构的非氧化物陶瓷部件光固化增材制造高精度制备技术的进步。     

高光效、大功率LEDs/LDs用Ce:YAG透明陶瓷

Ce:YAG透明陶瓷可与蓝光LEDs/LDs复合, 用于大功率白光LEDs/LDs。本研究通过调整Ce:YAG透明陶瓷的厚度和Ce³⁺的掺杂浓度, 将组装器件的发射光谱和色坐标从冷白区调整到暖白区。以高纯(≥99.99%)商业粉体α-Al₂O₃、Y₂O₃、CeO₂为原料, 采用固相反应法制备了(Ce_xY_1-x)₃Al₅O₁₂ (x=0.0005、0.0010、0.0030、0.0050、0.0070和0.0100)透明陶瓷。陶瓷素坯在1750 ℃真空烧结20 h(真空度5.0×10^-5 Pa), 之后在马弗炉中退火1450 ℃×10 h。不同掺杂浓度Ce:YAG陶瓷(厚度分别为0.2、0.4、1.0 mm)在800 nm处的直线透过率均大于79%。Ce:YAG荧光陶瓷的热导率随着测试温度和掺杂浓度的增加而降低。采用有限元方法模拟不同厚度的Ce:YAG陶瓷和LED组装的热分布, 比较了三种封装方式的热分布。将Ce:YAG荧光陶瓷与LEDs/LDs复合, 制备出色坐标分别为(0.3319, 0.3827)和(0.3298, 0.3272)的白光, 发光效率分别为122.4和201.5 lm/W。将Ce:YAG荧光陶瓷和10、50 W商用蓝光LED芯片组合成熟灯具, 可用于商业用途。Ce:YAG透明陶瓷在大功率照明和显示的彩色转换材料应用领域极具潜力。     

3D Printing of Micrometer-Sized Transparent Ceramics with On-Demand Optical-Gain Properties

Transparent ceramics are usually polycrystalline materials, which are wildly used in many optical applications, such as lasers. As of today, the fabrication of transparent ceramic structures is still limited to conventional fabrication methods, which do not enable the formation of complex structures. A new approach for 3D printing of micrometer-size, transparent ceramic structures is presented. By using a solution of metal salts that can undergo a sol–gel process and photopolymerization by two-photon printing, micrometer-sized yttrium aluminum garnet (YAG) structures doped with neodymium (Nd) are fabricated. The resulting structures are not only transparent in the visible spectrum but can also emit light at 1064 nm due to the doping with Nd. By using solution-based precursors, without any particles, the sintering can be performed under air at ambient pressure and at a relatively low temperature, compared to conventional processes for YAG. The crystalline structure is imaged at atomic resolution by ultrahigh-resolution scanning transmission electron microscopy (STEM), indicating that the doped Nd atoms are located at the yttrium positions. Such miniaturized structures can be used for diverse applications, e.g., optical components in high-intensity laser systems, which require heat resistance, or as light sources in optical circuits.