如何通过控制烧结温度，实现透明氧化锆陶瓷的制备？

末云沫语

由于致密化不充分，在1000℃烧结的样品是不透明的，而在1075℃烧结的样品有些透明，尽管它们具有黄褐色，并且在1100℃烧结的样品表现出最高的透明度。
当烧结温度超过1100℃时，样品逐渐变暗。黄棕色归因于氧空位和捕获的电子，这是由于Y2O3掺杂剂。这些色心是由真空下石墨模具产生的热还原环境形成的，可以通过热退火消除。
用SPS制备了透明氧化锆2陶瓷他们使用甘氨酸硝酸盐湿化学方法，然后进行高能球磨，制备了具有立方晶体结构的8YSZ纳米粉末。
在被确定为最佳温度的900℃煅烧后，8YSZ纳米粉末具有平均尺寸为50纳米的球形颗粒。粉末通过SPS在1200–1350°C下致密化5分钟，并表现出有希望的致密化行为。

在1300℃烧结后，孔隙已经从晶界上去除并转移到晶内；因此，在此温度下获得了透明的8YSZ陶瓷。
报道了类似的SPS方法2O3:ZrO2)并完全稳定(8摩尔% Y2O3:ZrO2)纳米粉末被加工以获得透明的ZrO2陶瓷最终产品的平均粒度为55 nm，而部分稳定的3YSZ陶瓷是半透明的，完全稳定的8YSZ陶瓷是光学透明的。
此外，透明8YSZ陶瓷的颜色可以从红宝石通过简单地改变烧结时间。
因为掺杂剂浓度和YSZ的组成可以变化，所以必须理解组成和光学性质之间的相互关系。
尽管其它掺杂剂如CaO和MgO也可用于稳定ZrO2在公开文献中很少有关于其它掺杂剂的报道；因此，透明的氧化锆2具有除Y以外的掺杂剂的陶瓷2O3应该研究一下。

氧化钇(Y2O3)陶瓷具有突出的物理和化学性能，例如高热导率(300 K时为13.6 W/m·K)和强耐蚀性。
和透明Y2O3陶瓷具有独特的光学特性，包括宽范围的透明波长(0.2-8微米)和大约1.935的折射率与钇铝相比石榴石(YAG)，Y2O3因为它的高有效原子序数和高密度此外。
Y2O3因为它具有较高的热导率和较低的热膨胀系数，所以比YAG更适合于高功率固态激光器应用透明Y的潜在应用2O3陶瓷还包括红外圆顶、气体喷嘴，耐火材料、半导体元件和近红外-可见光上变频器代表性透明Y2O3陶瓷被列在。
透明Y2O350年前首次报道了陶瓷这些初始样品是通过在950°C和10，000–12，000 psi的真空下热压2天获得的。

氟化锂被用作烧结助剂以确保陶瓷的完全致密化，并且在烧结过程中被去除。
HP衍生透明Y的光学透过率2O3陶瓷非常接近单晶。

最近，透明Y2O3陶瓷是在真空或高压下通过无压烧结制成的2大气例如，Saito等人开发了一种合成Y的简单方法2O3具有高烧结性的粉末，由此可以在不使用烧结助剂的情况下获得透明陶瓷这种高活性Y2O3粉末来自细针状的碳酸钇，碳酸钇是通过硝酸钇的沉淀而合成的。
碳酸钇在1100℃煅烧后，生成的Y2O3粉末的平均颗粒尺寸为0.1微米，小团聚尺寸为0.3 μm。
通过在≥1600°C烧结获得透明样品，虽然不存在异常晶粒生长，但光学透明度仍远低于单晶。
Ikegami等人制备了薄的薄片状氢氧化钇2O3在> 800℃煅烧后的粉末，该粉末用于制造透明的Y2O3陶瓷正如所料。

煅烧粉末的粒度随着煅烧温度的升高而逐渐增大；骨架Y2O3通过在< 1000℃的温度下煅烧形成可烧结性差的颗粒。
而通过在> 1000℃的温度下煅烧获得单分散颗粒2O3对于相似的粒度，粉末具有相似的致密化行为；然而，硫酸根掺杂的Y2O3颗粒具有圆形边缘，与煅烧温度无关，而未掺杂的Y2O3颗粒有锋利的边缘。
硫酸盐掺杂和1100℃煅烧被确定为获得透明陶瓷的最佳条件。
金等制备了透明氧化锆2掺杂Y2O3结合真空烧结和水基注浆成型技术的工业粉末陶瓷在醇中球磨商业粉末12小时后，平均粒度从2微米减小到0.34微米，这促进了粉末的致密化。
透明Y2O3掺氧化锆陶瓷2at > 2 mol%时，可通过在1860℃烧结8 h来制备，并且基于光学透射率，ZrO的最佳浓度2是5摩尔%。

侯等报道了透明钇的制备和表征2O3真空烧结陶瓷高纯度Y2O3和nd2O3粉末用作前体，1.0摩尔%的氧化锆2作为烧结助剂加入。
将三种粉末彻底混合，使得组合物为(NdxY0.99 x锆0.01)2O3(x = 0.0010.07)。
干燥后，在200 MPa下制备用于CIP的粒料。
第二天2O3在大约1.0 × 10的真空下，在1800℃烧结20小时后，样品是高度透明的−3爸。

透明Y2O3陶瓷也已经使用先进的烧结技术制造，例如HP例如，透明的欧盟3+掺杂Y2O3HP在不使用烧结助剂的情况下，在40 MPa和1580°C(确定为最佳烧结温度)下开发了陶瓷虽然没有添加烧结助剂，但是Eu掺杂剂通过控制离子扩散性从而促进Y的致密化2O3。
随着Eu的浓度从0增加到5 at%，光学衰减和光学透射率分别逐渐降低和增加。
最近，Gan等人系统地研究了温度和压力对氧化锆微结构和光学性质的影响2掺杂Y2O3使用高压方法制造的陶瓷商业Y2O3和ZrO(CH2首席运营官)2用作起始材料并通过在醇中球磨混合。

将混合物干燥，然后在800℃下煅烧4小时，以烧掉有机物质。
煅烧后，在5 MPa下将粉末压制成方形圆盘，随后在20 MPa下进行CIP。
热压在1600–1700°C和20–40 MPa的温度下，在大约9 × 10的真空度下进行3小时−3爸。
热压样品在空气中于1200℃退火2小时。
XRD谱图没有显示ZrO2因为样品中只有少量。
显示了2mm厚的氧化锆样品的直线透射率曲线2掺杂Y2O3陶瓷。

虽然未掺杂的样品在400-800n m之间具有相对低的透射率(< 15%)，但是掺杂1 at% ZrO的样品的线内透射率2在400 nm处为74.4%，在1100 nm处为81.1%，后者几乎达到Y的理论透射率2O3:在1100纳米处为81.93%增加氧化锆2高于1 at%的含量对应于降低的透光率；因此，最佳的ZrO2含量为1原子%。
如果氧化锆2含量增加到3 at%时，烧结温度和压力都需要增加以保持所需的光学性能；然而，Y3+如果压力太高，将会降低陶瓷的光学透射率。
具有0、3和5原子% ZrO的样品的低透射率2归因于残留孔的存在，而1 at% ZrO2促进了Y的致密化2O3从而提高了Y的光学透射率2O3。

氧化锆的加入2也降低了Y的晶界迁移率2O3这限制了晶粒的生长并阻止了晶内孔隙的形成。
与需要非常高的烧结温度(> 1800℃)的真空烧结相比，HP可以通过施加机械压力在相对较低的温度下促进致密化。
而纯Y的高晶界迁移率2O3在升高的温度下，导致大的晶粒尺寸和大量的孔，1 at% ZrO的存在2显著降低了Y的晶界迁移率2O3和增加的致密化；因此，1原子% ZrO2:Y2O3具有均匀致密的微结构和优异的光学透明度。

然而，当ZrO2含量太高，晶界移动性被抑制，晶粒生长被阻止，从而Y2O3特别是当烧结温度不够高时，会形成晶间孔。
因此，必须保持合适的晶粒生长速率，并应防止晶粒间和晶粒内孔隙的形成。
Gan等人还证明，当HP温度从1600℃增加到1700℃时，大晶粒的尺寸几乎不变，而小晶粒的尺寸显著增加；因此，平均晶粒尺寸增加。
此外，加速传质和扩散的协同作用提高了陶瓷微观结构的均匀性，增强了Zr的均匀分布，有效地阻止了Y的异常晶粒长大2O3。

氧化锆的光学透明性2:Y2O3通过将机械压力从30 MPa增加到30 MPa，陶瓷能够进一步增加。
而将施加的压力增加到超过30 MPa会导致线内透射率降低，因为Y的减少形成了深色中心2O3这个问题可以通过烧结后的热退火容易地解决，这将允许使用更高的压力。
将真空烧结与热等静压结合起来以获得透明的Y2O3来自具有高聚集度的商业粉末的陶瓷HIP工艺旨在消除真空烧结形成的孔隙；因此，预烧结工艺旨在将孔隙限制在晶间位置，以便它们可以通过热等静压容易地去除。
因此，具有紧密堆积的颗粒的团聚粉末被用作前体，以便捕获粒间区域中的大部分孔隙。

预烧结和热等静压的最佳处理温度分别为1600℃和1500℃。
如果HIP温度太高，例如1625 ℃,则样品是不透明的，因为Ar分子已经扩散到胶囊中。
最近，朱等人报道了高度透明的Y2O3平均晶粒尺寸为0.6微米的陶瓷可以用HP和HIP与商业Y2O3粉末和氧化锆2作为烧结助剂高压条件为1300–1550 ℃, 20 MPa，3小时，热等静压条件为1450 ℃, 180 MPa，5小时。
最佳高压参数为1400 ℃, 3小时，得到的陶瓷在1100 nm和400 nm处的线内透射率分别为83.4%和78.3%。
显示Y的照片2O3在不同温度下热压的陶瓷样品。
李等人利用热等静压获得了高度透明的γ射线2O3掺氧化锆陶瓷2以及氧化锆的影响2关注最终Y的烧结特性、光学性能、晶粒尺寸、尺寸分布和维氏硬度2O3系统地研究了陶瓷最佳氧化锆2根据光学透射率、红移IR截止波长、热导率和维氏硬度的含量被确定为0.50原子%。

对于这个ZrO2含量，预烧结温度为1650-1750 ℃,在1750℃烧结后平均晶粒尺寸为3.35微米2O3陶瓷在500纳米处约为75%;然而，红外波长的光学性能要好得多。
Yoshida等人制备了纳米晶Y2O3不含烧结助剂的陶瓷，使用相对较低烧结温度(850–1050°C)和低加热速率(2–50°C/min)的SPS在以2 ℃/分钟的速度加热并在950℃烧结后，得到的Y2O3样品具有99%的相对密度，平均粒度为190纳米。
以2°C/min的速度加热并在950或1050°C下烧结1小时的陶瓷显示出有希望的光学性能——它们在400和800 nm之间的线内透射率范围为6%到46%——这是由于没有无定形的晶界层和杂质污染。
Y的致密化2O3SPS促进纳米粉末的形成是因为晶界迁移率和扩散诱导缺陷反应增强。

透明的Y2O3使用An等人制备的陶瓷来研究SPS温度对致密化、显微结构发展、光学性能和机械强度的影响通过在1200–1600°C烧结，实现了完全致密化。
在1200–1300°C烧结后，晶粒尺寸为0.24–0.32微米，在1600°C烧结后，晶粒尺寸为1.97微米2O3在1300℃烧结并在1050℃退火的陶瓷具有最高的光学性能；它们在2000纳米的线内透射率为81.7%，是理论值的99%。
张等人使用高压SPS (HP-SPS)来进一步降低加工透明Y所需的烧结温度2O3陶瓷他们证明，当样品处于高压(300 MPa)下时，烧结温度可以低至1050℃。
虽然在烧结样品中形成了氧空位，但它们可以通过在900°C退火3 h来消除。
1mm厚的样品在700 nm处的线内透射率为68%,并且在近红外(NIR)中的光学性能接近单晶。
参考文献

• 维拉洛沃斯, W. 金姆
  

《透明陶瓷的材料发展和潜在应用》

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0pIHW0OC
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