形核密度对AlON粉体合成及其透明陶瓷制备的影响

以α-Al₂O₃为原料, 采用碳热还原氮化法合成AlON粉体, 利用活性炭和亚微米碳粉改变球磨后一次粉体(α-Al₂O₃和C混合粉体)的形核密度, 并研究形核密度对AlON粉体相组成、形貌及其透明陶瓷透光性的影响。结果表明, 形核密度不同的一次粉体在1750℃保温60 min均能合成纯相AlON粉体, 但是所合成的两种AlON粉体形貌和性能差异较大。高形核密度下(添加活性炭)合成的AlON粉体形貌不规则、结构疏松且晶粒较小, 并易于球磨获得细颗粒粉体(~0.93 μm); 而低形核密度下(添加亚微米碳粉)合成的AlON粉体整体形貌呈近球形, 晶粒发育较完整, 且尺寸较大, 该粉体球磨后颗粒尺寸较大(~2.13 μm)。因此, 形核密度是影响AlON粉体形貌、结构特征和破碎性的主要因素。研究结果表明, 高形核密度粉体合成的AlON粉体具有更好的烧结活性, 它在1880℃保温150 min获得的透明陶瓷最大红外透过率达76.5% (3 mm厚), 比低形核密度粉体制备的透明陶瓷提高48.3%。因此, 以α-Al₂O₃为原料时, 提高形核密度有利于制备颗粒较小的高活性AlON粉体, 该粉体适合制备高透过率AlON透明陶瓷。     

透明AlON陶瓷凝胶浇注成型及其无压烧结制备

透明AlON具有优异的光学和力学性能,应用前景广阔。但材料制备成本高昂,限制了其应用发展。为解决上述问题,本研究以透明AlON的凝胶浇注成型与无压烧结制备为核心目标,就AlON细粉的低温合成及其抗水化处理展开重点研究。研究发现以有机聚合物包覆AlN/Al2O3为原料,通过高温碳热–氮化工艺合成AlON,可有效降低AlON的合成温度,在1700℃即可合成近乎纯相的AlON粉体。所得粉体颗粒尺寸细小,在亚微米级。通过对上述粉体进行聚氨酯包覆表面抗水化处理,可大幅度提升其抗水化性能。即使历经长达72 h水中静置,也不发生明显的水解。以此为基础,通过凝胶浇注成型结合生坯的冷等静压后处理在1820～1850℃成功实现了透明AlON陶瓷的无压烧结制备。材料力学和光学性能优异,其中1850℃烧结试样在紫外–中红外波段直线透过率达到83.1%～86.2%,三点抗弯强度达到310 MPa。     

温度和气氛对铝热还原法合成AlON粉体的影响

采用微米级Al粉和纳米级Al2O3粉为原料,在N2气氛保护下球磨混合后煅烧,通过改变煅烧温度(1650～1800℃),分别在流动/静态N2气氛下进行了AlON粉体的合成.利用XRD对合成的粉体进行物相分析,通过Rietveld 全谱拟合研究了AlON粉体的品格常数的变化情况,并用SEM观察粉体的微观形貌.结果表明:随温度增加,AlON粉体的合成反应热力学受气氛影响明显,流动N2下1750℃时可合成纯相AlON粉体,而在静态N2下1800℃才能合成纯相AlON粉体,因此流动N2气氛有利于降低纯相AlON粉体的合成温度.另外,本方法合成的AlON粉体存在表内层颜色差异现象,表层AlON粉体相对内层的AlON粉体其品格常数较小.分析认为,造成粉体颜色差异的主要原因可能是在高温及气氛影响下表层粉体产生较多阴离子热缺陷.     

高能球磨制备立方AlN及其高温相变

研究了高能球磨过程中Al₂O₃的相变, 随着球磨时间的延长, 粉末中发生了γ -Al₂O₃向α -Al₂O₃3的转变. 高能球磨20h, Al₂O₃部分非晶化, 同时, 有立方AlN生成. 增加球磨强度, 立方AlN生成量增加, 650r/min高能球磨40h, AlN生成量达到72%. 随后的氮气气氛退火实验发现, 在500℃以上, 立方氮化铝与氧化铝反应, 生成AlON相. AlON相的生成, 有效地降低了碳热还原氮化反应激活能.     

碳源对AlON粉体合成及其透明陶瓷制备的影响

以纳米炭黑、微米碳粉为碳源,采用碳热还原法合成AlON粉体和无压烧结制备AlON透明陶瓷。利用X射线衍射仪、扫描电镜、颗粒度分析仪和分光光度计等研究碳源对粉体及陶瓷制备的影响。结果表明:碳源尺寸及形貌与AlON粉体的合成温度、粉体形貌及颗粒大小密切相关;采用纳米炭黑降低了AlON粉体的合成温度,在1730℃合成了单相粉体;采用微米碳粉在1750℃煅烧2h条件下制备了高纯度的AlON粉体,从而制备了高透光率的AlON陶瓷,该样品(1mm厚)在1000~5000nm波长范围内的直线透过率在80%左右,在3.93μm波长处光学透过率最高可达83.7%,其平均晶粒尺寸为110~120μm。     

机械合金化和放电等离子烧结制备Y3Al5O12陶瓷

采用机械合金化和放电等离子烧结制备YAG陶瓷,研究了球磨时间对原料颗粒大小和烧结合成YAG纯度的影响,并利用x射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对反应过程及产物形貌和物相进行了分析.研究结果表明,机械合金化Y2O3和Al2O3粉体,可明显细化氧化物颗粒,球磨20h后,Y2O3和Al2O3晶粒大小约为34nm和32nm.球磨处理的Y2O3和Al2O3粉体具有很高的活性,促进放电等离子烧结低温反应合成和获得致密的YAG.对球磨20h的粉体在不同温度进行放电等离子烧结,在1200℃即可获得纯YAG陶瓷,在1500℃烧结,可得到相对密度为99.5%的YAG陶瓷.1500℃烧结的块体在可见光范围内透过率为13.8%.     

碳热还原氮化工艺制备AlON透明陶瓷

以γ-Al2O3为原料,炭黑(C)为还原剂,通过碳热还原氮化(carbothermal reduction and nitridation,CTRN)工艺合成了氮氧化铝(AlON)粉体,并通过气压烧结工艺制备了AlON透明陶瓷.借助X射线衍射分析研究了反应温度、保温时间及碳用量对CTRN反应产物相组成的影响,借助电子探针研究了AlON透明陶瓷的微观结构.研究结果表明:该反应主要受热力学控制,动力学因素也具有重要作用,反应温度和保温时间对AlON粉体的合成均具有重要影响.在1300℃时,开始发生CTRN反应;随着反应温度的升高,AlN的生成量逐渐增加;在1650℃时,开始形成AlON;在1700℃时,AlON的CTRN合成反应基本完成,产物中除含有极少量的AlN外,其余均为AlON相;进一步提高反应温度至1750℃,产物中残余AlN的量有所减少,但不能完全消除.采用CTRN工艺制备的粉体为原料,经1950℃高温气氛反应6h可制备出AlON透明陶瓷,材料微观结构致密、均匀,平均晶粒尺寸约50μm。     

高温固相反应工艺制备AlON粉体

以Al₂O₃和AlN为原料, 在氮气气氛下通过高温固相反应工艺合成氮氧化铝（AlON）粉体, 借助XRD分析系统研究了反应温度、保温时间及原料配比等工艺参数对反应产物相组成的影响并探讨了反应机理. 研究结果表明：该反应主要受热力学控制, 动力学因素也具有重要作用, 反应温度和保温时间对AlON粉体的合成均具有重要影响. 在相对较低的反应温度下, 通过AlN固溶进入Al₂O₃晶格形成富氧（O-rich）的AlON相; 在相对较高的反应温度下, 产物中少量残余的AlN通过进一步扩散固溶进入O-rich-AlON晶格形成富氮（N-rich）的AlON相（N-rich-AlON）; 在1950℃时, 合成单相的AlON粉体.     

高能球磨合成纳米碳包覆α-Al2O3复合粉体

以膨胀石墨和α-Al2O3微粉为原料,采用高能球磨制备了纳米碳包覆的α-Al2O3复合粉体,研究了高能球磨时间和球磨速率对复合粉体物相及形貌的影响。采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜对复合粉体的物相、形貌和微观结构进行了表征。结果表明:按膨胀石墨与α-Al2O3质量百分比为1:2,球磨速率为600 r/min,球磨5 h可得到被粒度为20～50 nm碳颗粒包覆的α-Al2O3复合粉体;随着球磨时间延长,石墨(002)晶面特征峰逐渐消失,膨胀石墨中纳米片层会随球磨时间延长不断剥离脱落,并逐渐龟裂成纳米碳颗粒;相同球磨时间下,提高球磨速率可以促进纳米碳颗粒形成,但超过一定速率后纳米碳颗粒粒度不再减少;480 r/min速率球磨5 h未形成纳米碳颗粒包覆复合粉体,600和700 r/min速率球磨5 h后复合粉体形貌基本一致。     

高能球磨Al2O3相变及其反应活性研究

本文研究了高能球磨以及碳热还原反应加热过程中AlO3相结构的变化,及其对碳热还原反应活性的影响.不同相结构Al2O3碳热还原反应活性差别很大,γ-Al2O3是其中反应活性最好的.随着球磨时间的延长和加热温度的提高,粉末中发生了γ-Al2O3→α-Al2O3的转变,这一点对于降低碳热还原反应激活能是不利的.高能球磨20小时,Al2O3部分非晶化,而且有立方结构AlN生成,这两个现象属于首次报道.碳热还原反应加入的活性炭粉,能够抑制加热过程中的γ-Al2O3→α-Al2O3相变,有效地保证了粉末的反应活性.     

ALON粉体合成及其透明陶瓷制备研究

采用3种方法合成粉体,即以Al_2O_3和AlN为原料的直接固相反应法,以Al和Al_2O_3为原料的反应烧结合成法和以C和Al_2O_3为原料的碳热还原合成法,同时采用了纳米级的粉体原料,均合成出了纯相ALON粉体,且有效降低了粉体的合成温度;对Al_2O_3原料,采用了不同α/γ相比例,研究其对粉体合成物相和粉体性状的影响,通过采用合适的α/γ相比例,有效地改善了粉体的性状;对3种体系纯相粉体,在加入适当的烧结助剂成型后,在N_2气氛下进行了无压烧结,均得到了透明ALON陶瓷样品,同时研究了粉体合成工艺、成型工艺、烧结温度、保温时间和烧结助剂等对陶瓷透明度的影响。结果表明,采用纳米体系原料在低温下合成的ALON粉体,在1850～1880℃下保温10h可以得到厚度为2mm,红外透过率(3～5μm)达40%～50%的陶瓷样品;与美国报道的工艺相比,本研究中粉体合成温度和陶瓷烧结温度可以降低100℃左右,保温时间可以缩短一半以上,一定程度上降低了对设备的苛刻要求。     

机械球磨-热压法制备Bio.5Sb1.5Te3热电材料

用机械球磨-热压法制备了Bi0.5Sb1.5Te3热电材料,分别研究了机械球磨时间对合成Bi0.5Sb1.5Te3合金相的影响和烧结温度对其热电性能的影响.结果表明Bi、Sb、、Te原始混合粉末高能球磨10 h以后,就可以完全合金化,生成Bi0.5Sb1.5Te3相.球磨10h的粉末分别在400、450和520℃下热压烧结成型,烧结样品的密度随烧结温度的增大而增加,Seebeck系数和电阻率随烧结温度的升高而降低     

高能球磨Al-Y203粉体固相反应制备YAG陶瓷的研究

用高纯Al粉体和Y2O3粉体(Al-Y2O3粉体)为原料采用固相反应法制备了YAG陶瓷. Al-Y2O3粉体高能经过球磨,煅烧生成YAG粉体,再真空烧结制备高致密YAG陶瓷.采用DTA-TG对球磨Al-Y2O3粉体进行分析,采用XRD、SEM对球磨的Al-Y2O3粉体、YAG粉体及YAG陶瓷进行了表征.实验表明:Al-Y2O3粉体在～569℃时,Al粉强烈氧化,并与Y2O3粉反应,600℃煅烧出现YAM相,随煅烧温度升高出现YAP相,1200℃煅烧生成YAG粉体.成型YAG素坯在1750℃保温2h真空烧结出YAG相陶瓷,YAG陶瓷相对密度可达98.6%,晶粒生长均匀,晶粒尺寸为8～10μm.     

高能球磨结合SPS技术制备Al2O3-TiC复合材料及其性能研究

以TiO2、Al、C(石墨)为原料,首先采用高能球磨引导铝热反应合成了Al2O3-TiC纳米复合粉体,然后采用放电等离子体烧结纳米复合粉体制备了Al2O3-TiC复合材料.结果表明,在氩气氛围下高能球磨3h后,原料粉末就发生了铝热反应,合成的Al2O3-TiC复合粉体粒子尺寸大约在100nm左右.采用SPS技术在1450℃保温4min烧结的试样致密度达99.6%,并且结构精细(大部分晶粒＜1μm),两相分布比较均匀,有较好的力学性能和电导性能,抗弯强度为650+21MPa,硬度为19.1±0.2GPa,断裂韧性为4.5±0.2MPa·m1/2,电导率为2.3828×105Ω-1.m-1.     

工艺参数对α-Al_2O_3粉体性能的影响

以440℃预烧后的AlOOH或无定形Al2O3为原料,乙醇为分散剂,采用机械球磨和常压焙烧法制备α-Al2O3粉体,探讨矿化剂AlF3及机械球磨对α-Al2O3性能的影响,利用扫描电镜、X射线衍射、X射线圆盘式离心粒度分析仪等手段对α-Al2O3粉体分散性、颗粒形貌和物相进行表征。结果表明,焙烧后得到纯α-Al2O3相粉体,且随着AlF3用量的增加,α-Al2O3粉体的分散性变差,α-Al2O3的形貌由多维向二维转化,从而形成片状α-Al2O3;由于机械力化学及F-的作用,球磨4 h出现六方片状α-Al2O3,且随着球磨时间的延长,六方片状α-Al2O3数量增多,粒径增大。     

高能球磨制备立方A1N及其高温相变

研究了高能球磨过程中Al2O3的相变，随着球磨时间的延长，粉末中发生了γ-Al2O3向α—Al2O3的转变、高能球磨20h，Al2O3部分非晶化，同时，有立方A1N生成．增加球磨强度，立方A1N生成量增加，650r／min高能球磨40h，A1N生成量达到72％．随后的氮气气氛退火实验发现，在500℃以上，立方氮化铝与氧化铝反应，生成AION相．AION相的生成，有效地降低了碳热还原氮化反应激活能．     

固相法制备超细ZrW2O8粉体及其负热膨胀特性的研究

以化学合成的ZrO2和WO3为原料,以固相法制备具有负热膨胀特性的超细立方相ZrW2O8粉体.对其前驱体进行差热分析(DSC),以X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对产物结构及形貌进行表征.结果表明:通过化学方法合成出单斜相和四方相混合的纳米级ZrO2粉体,纯单斜相的纳米级WO3粉体,以其为原料能够制备出超细立方相ZrW2O8粉体.同时考察不同研磨时间对其粒径的影响.变温X射线粉末衍射分析表明:所得ZrW2O8粉体具有很好的负热膨胀特性,在20～600℃范围内的平均热膨胀系数为-6.82×10-6K-1.     

Cu_2Se、In_2Se_3、Ga_2Se_3混合球磨过程中的Cu(In,Ga)Se_2形成机制研究

对球磨时间不同的Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3混合粉末进行热压烧结制备CIGS靶材,发现在球磨时间较短时靶材出现分层,随着球磨时间延长分层缺陷消失。由此考察了粉末在球磨过程中发生的物理化学变化及其对分层的影响。结果表明:Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3三种硒化物粉末在球磨过程中发生机械合金化反应形成黄铜矿相Cu(In,Ga)Se2(CIGS)。随着球磨时间的延长,黄铜矿相结构Cu In Se2(CIS)首先在Cu-Se二元化合物表面产生,并随着Ga原子的扩散逐步形成CIGS四元相。当球磨时间达到48 h时,粉末由黄铜矿相CIGS和少量Ga2Se3组成。由于Cu2-xSe与CIGS晶体结构相近,因此通过外延反应的方式有效促进了CIGS的合成。球磨过程中Cu-Se二元相的消失和CIGS相的形成有助于抑制烧结过程中分层缺陷的产生。     

反应烧结制备Ba2Ti9O20材料

采用BaCO3和TiO2为原料粉体，经机械球磨后直接成型烧结，可以在1340℃／4h的条件下获得密度达4．49g／cm^3的单相Ba2Ti9O20材料。进一步的研究表明，采用高能球磨可以大大降低反应烧结的温度，在1250℃／4h的条件下可获得密度达4．44g／cm^3的单相Ba2Ti9O20材料。高能球磨所获得的粉体颗粒细小、均匀是反应烧结温度低的主要原因。本研究还分析了烧结过程中材料的相组成的变化过程。     

尿素低温燃烧法合成Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(1.9)电解质粉末及烧结性能

采用以尿素为燃料的低温燃烧法一步合成了电解质粉末Ce0.8Gd0.2O1.9(GDC),通过XRD、TGDSC、BET、FESEM等手段对合成粉体进行了物相测定、热分析、比表面积测定和形貌观察,并考察了粉体的烧结性能。结果表明,尿素-硝酸盐干凝胶自蔓延燃烧点火温度约为279.0℃。通过工艺参数的有效设计,经过低温燃烧过程即可直接得到立方萤石结构的纯相GDC粉体,该粉体为粒径在20~60nm的类球形颗粒,粒子间虽有微弱的软团聚,却具有较高的烧结活性,在1 300℃仅需烧结2h即可达到95.2%的相对密度。该温度比固相法制备该粉体的烧结温度至少降低300℃。