La^(3+)对MgAl_(2)O_(4)透明陶瓷致密化过程、光学及力学性能的影响

镁铝尖晶石(MgAl_(2)O_(4))透明陶瓷具有优异的光学和力学性能,在防弹装甲窗口、高马赫整流罩等方面得到了大量的应用。为实现MgAl_(2)O_(4)透明陶瓷的致密化,一般需要相对较高的烧结温度,然而高的烧结温度会导致陶瓷晶粒生长过大,影响其性能。因此通过引入合适的烧结助剂降低烧结温度,对于提升陶瓷性能和降低成本均具有很大的意义。本文以高纯商业MgAl_(2)O_(4)粉体为原料,La(OH)_(3)为烧结助剂,采用真空烧结结合热等静压后处理的方式,成功制备MgAl_(2)O_(4)透明陶瓷,并采用XRD、SEM等对透明陶瓷的微结构和相组成的演变以及性能进行表征。结果表明,La^(3+)在烧结早中期可有效提高陶瓷致密化速率,在烧结后期可抑制陶瓷晶粒生长。掺入0.01%(质量分数)La_(2)O_(3)后,MgAl_(2)O_(4)光学和力学综合性能优异,所需的热等静压烧结温度由1650℃降低到1600℃,相应平均晶粒尺寸由7μm减小到3μm。

无压烧结碳化硼中Y_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)助剂的助扩散机制研究

采用无压烧结工艺,添加质量分数9.5%的Y_(2)O_(3)作为烧结助剂,进行了碳化硼陶瓷的2100℃、2200℃和2250℃烧结2h实验,对样品进行了体积密度、显气孔率、维氏硬度、表面形貌和晶体结构测试,并与纯碳化硼2250℃烧结的样品进行了比较。实验表明,添加Y_(2)O_(3)助剂2250℃烧结2h的样品的体积密度、气孔率、硬度指标比纯碳化硼粉2250℃烧结2h的样品有较大幅度提升;在碳化硼晶粒扩散时,Y_(2)O_(3)助剂和碳化硼晶粒协同扩散,使碳化硼晶粒趋向于致密化烧结;Y_(2)O_(3)助剂的介入使碳化硼晶粒生长(运动)机制发生了变化。

三元复合烧结助剂Er_(2)O_(3)-Mg_(2)Si-Yb_(2)O_(3)对 氮化硅陶瓷性能的影响

以Er_(2)O_(3)-Mg_(2)Si-Yb_(2)O_(3)为三元复合烧结助剂,制备了力学性能优异的高导热氮化硅陶瓷,研究了Er_(2)O_(3)-Mg_(2)Si-Yb_(2)O_(3)体系对氮化硅陶瓷致密化、微观结构、力学性能、热导率的影响。研究表明,当添加5%(质量分数,下同)Er_(2)O_(3)+2%Mg_(2)Si+4%Yb_(2)O_(3)烧结助剂时,烧结助剂对氮化硅陶瓷致密度与晶界相含量的平衡效果最佳,此时氮化硅陶瓷具有最佳性能:抗弯强度为765 MPa,断裂韧性为7.2 MPa·m^(1/2),热导率为67 W/(m·K)。在烧结过程中,只添加5%Er_(2)O_(3)+2%Mg_(2)Si的烧结助剂产生的液相量少且黏度高,不能使氮化硅陶瓷完成致密化;此外,当添加的Yb_(2)O_(3)含量超过4%时,烧结助剂产生大量的晶界相,降低了氮化硅陶瓷的性能。

MgO和Y_(2)O_(3)对气压烧结制备氮化硅陶瓷的影响

分别添加不同量(质量分数分别为2%、4%、6%、8%、10%)的MgO粉或Y_(2)O_(3)粉作为烧结助剂,经球磨混合、造粒、成型、6 MPa氮气-1750℃气压烧结制备氮化硅陶瓷,检测试样的相对密度,并分析其物相组成和显微结构。结果表明:1)MgO粉添加量为6%(w)的试样和Y_(2)O_(3)粉添加量为8%(w)的试样的相对密度分别达到其系列试样的最大值96.5%和98%。2)添加量相同时,添加Y_(2)O_(3)粉试样的相对密度均比添加MgO粉试样的大,表明Y_(2)O_(3)比MgO更能促进氮化硅陶瓷的烧结致密化。3)添加MgO粉或Y_(2)O_(3)粉均能促进α-Si_(3)N_(4)向β-Si_(3)N_(4)转变。

La_(2)O_(3)对镁铝尖晶石透明陶瓷致密化及其性能的影响

镁铝尖晶石透明陶瓷兼具了良好的光学和力学性能,在军、民两用领域有着广泛的实际和潜在应用前景。由于其致密化速率低,在烧结过程中往往需要引入烧结助剂。稀土倍半氧化物熔点高,高温不易挥发,近些年被证实可以促进镁铝尖晶石陶瓷的致密化,但其促烧机理尚不明确。本文以高纯商业化镁铝尖晶石粉体为原料,La_(2)O_(3)为烧结助剂,采用无压预烧结合热等静压烧结,制备镁铝尖晶石透明陶瓷,通过XRD、SEM、紫外-可见分光光度计、万能试验机等测试手段对其致密化过程及其力学和光学性能进行表征和分析,研究了La_(2)O_(3)对镁铝尖晶石透明陶瓷致密化过程的影响规律和作用机制。结果表明,La_(2)O_(3)通过与尖晶石反应或固溶产生晶格畸变,增加缺陷浓度,从而起到促进致密化的作用,一定程度上降低了预烧温度和热等静压温度。对于190 MPa、1500℃热等静压烧结3 h的样品,La_(2)O_(3)掺杂可以显著提高紫外区域的透过率;同时,La偏析到晶粒表面,抑制了尖晶石晶粒的生长,从而提高了样品的力学强度。掺杂0.05%(质量分数)La_(2)O_(3)样品较未掺的样品,400 nm处透过率从63%提高到81%,弯曲强度从263.7 MPa提高至319.0 MPa,断裂韧性从1.69 MPa·m^(1/2)提高至1.82 MPa·m^(1/2)。

ZrO_(2)/Al_(2)O_(3)多孔陶瓷的制备与力学性能

采用凝胶-发泡法制备了ZrO_(2)/Al_(2)O_(3)多孔陶瓷,研究了陶瓷浆料的流变性,固相含量对多孔陶瓷坯体显微结构与力学性能的影响,以及烧结助剂MgO含量与多孔陶瓷抗压强度及气孔率之间的关系。结果表明,在分散剂含量为0.4%(质量分数),球磨4 h, pH值为4的条件下,陶瓷浆料的黏度较低,有利于凝胶注模。固相含量增加,坯体气孔率下降。过高的固相含量使浆料流动困难,注模时引入空气导致坯体内形成较大的气孔甚至裂纹,使坯体抗压强度下降。由ZrO_(2)引起的相变增韧及微裂纹增韧可有效改善多孔陶瓷的力学性能。随烧结助剂含量增加,多孔陶瓷气孔支撑体致密化程度增大,气孔率降低,抗压强度明显升高。多孔陶瓷的抗压强度最高达30 MPa。引入适量的ZrO_(2)及烧结助剂,可制备气孔率适中、抗压强度高的多孔陶瓷。

CeO_(2),Y2O_(3)和ZrO_(2)掺杂Ti/Al_(2)O_(3)复合材料的制备与力学性能

实验采用无压气氛烧结方法,在1450℃的Ar气氛中制备了四组样品,分别为CeO_(2)、Y2O_(3)和Zr O_(2)掺杂的Ti/Al_(2)O_(3)复合材料以及未掺杂的空白Ti/Al_(2)O_(3)复合材料。通过四组样品显微结构的对比以及相对密度的计算,探讨了三种烧结助剂对Ti/Al_(2)O_(3)复合材料致密化的影响。计算结果表明,Ti/Al_(2)O_(3)-CeO_(2)复合材料的孔隙率为19.33%,具备最佳的相对密度。四组样品力学性能的计算结果发现,本实验样品中Ti/Al_(2)O_(3)-CeO_(2)复合材料同样具有最优异的力学性能,弯曲强度和断裂韧性分别达到178.26 MPa±2.14 MPa和2.53 MPa×m^(1/2)±0.11 MPa×m^(1/2),强度和韧性相对于空白的Ti/Al_(2)O_(3)复合材料提高了20%以上。此外,采用了X射线衍射分析了四组烧结样品的物相成分。结果表明,Ti与Al_(2)O_(3)之间发生界面反应,生成产物为Ti Al和Ti3Al,CeO_(2)掺杂组样品烧结过程中发生反应生成Ce-Al-O三元化合物,促进了复合材料的致密化烧结。同时,对复合材料力学性能的提升起到了良好的效果。

TiO_(2)加入量对光固化打印成型Al_(2)O_(3)陶瓷性能的影响

以光敏丙烯酸树脂与分散剂SP-710为液相,以d_(50)=2.38μm的Al_(2)O_(3)粉和添加剂TiO_(2)粉为固相,制备了固含量为78%(w)的Al_(2)O_(3)陶瓷浆料。采用数字光固化成型技术(DLP)打印Al_(2)O_(3)陶瓷素坯,经1450、1500、1550、1600℃保温4 h烧后,分析TiO_(2)加入量(质量分数分别为0、1%、2%、3%、5%)对Al_(2)O_(3)陶瓷试样性能的影响。结果表明:TiO_(2)的加入可促进Al_(2)O_(3)陶瓷的烧结,显著提高致密性,降低烧结温度,并确定TiO_(2)最优掺量为3%(w),烧结温度最优为1600℃,此时试样在x轴、y轴、z轴的收缩率分别为15.7%、15.8%与23.8%,显气孔率为2.41%,体积密度为3.74 g·cm^(-3),三点弯曲强度为251.1 MPa,与未添加TiO_(2)的Al_(2)O_(3)陶瓷对比,体积密度提高了0.56 g·cm^(-3),显气孔率由20.19%降低为2.41%,三点弯曲强度增大为原来的2.5倍。因此,加入适量TiO_(2),可以有效提高DLP打印陶瓷体的致密度与强度,使打印试样的性能接近压制成型的试样,有望使打印工艺应用于耐火材料领域。

TiO_(2)的添加对铝铬固溶体烧结动力学的影响

铝铬固溶体被广泛应用于耐火材料,其烧结致密化较难,添加一定量的烧结助剂有利于提高铝铬固溶体的致密程度,但对于致密化过程中的晶粒生长规律尚不清楚。在本工作中以纳米η-Al_(2)O_(3)和工业铬绿为原料,加入烧结助剂TiO_(2),并以PVA作为结合剂,经过冷等静压成型后在常压下1400~1700℃进行固相烧结制备摩尔比1∶1的烧结铝铬固溶体。利用Archimedes法、XRD、SEM、Nano measurer等手段分析了烧后试样的致密度、物相组成、显微结构和平均晶粒尺寸,在此基础上进一步计算研究了TiO_(2)的添加对铝铬固溶体的烧结动力学的影响。结果表明:在烧结过程中,Al_(2)O_(3)-Cr_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)-Cr_(2)O_(3)-2%TiO_(2)烧结体系的晶粒生长指数和晶粒生长活化能均随温度升高而减小;Al_(2)O_(3)-Cr_(2)O_(3)体系晶粒生长主要受原子随机越过晶界和体积扩散两种机制控制,Al_(2)O_(3)-Cr_(2)O_(3)-2%TiO_(2)体系晶粒生长主要受体积扩散控制;对比两种体系发现TiO_(2)的添加能使样品的晶粒生长指数和晶粒生长活化能下降,促进晶粒生长发育。

烧结制度对氧化铝陶瓷膜支撑体性能的影响

为了改进氧化铝多孔陶瓷膜制备的最佳烧结制度,以α-Al_(2)O_(3)为原料,TiO_(2)-Cu_(2)O为复相烧结助剂,CMC为造孔剂,采用挤压成型法制备管式陶瓷膜支撑体,并对支撑体的性能进行测试与表征。结果表明:当烧结温度为1150℃,保温时间为120 min,升温速率为2℃/min时,支撑体的水通量最高为4322 L/(m2·h·MPa),三点弯曲强度为42.54 MPa,酸碱腐蚀率为0.48%/0.37%,平均孔喉半径为1.373μm,退汞效率为77.4%。在此烧结制度下形成的Al_(2)O_(3)-TiO_(2)-Cu_(2)O低温共熔物,可促进支撑体烧结,提高抗折强度。

透明AlON陶瓷的发展现状和挑战

氮氧化铝透明陶瓷是备受关注的材料,广泛应用于商业和军事领域,如红外和可见光窗口、透明装甲等方面。最近几年,氮氧化铝透明陶瓷得到了快速发展,出现新的制备方法、新的烧结助剂及新的应用领域。然而,目前还没有系统的、最新的相关综述。此外,氮氧化铝透明陶瓷还存在一些未解决的问题和新的挑战,严重阻碍其商业化应用。因此,本文作者全面介绍氮氧化铝陶瓷的制备方法,包括高温固相反应法、氧化铝还原氮化法、化学气相沉积法和溶胶凝胶等方法,并对这些制备方法的优缺点进行比较分析。此外,系统地总结烧结助剂和烧结工艺对氮氧化铝透明陶瓷透光性的影响。最后,对氮氧化铝透明陶瓷面临的挑战和发展趋势进行讨论和展望。