掺杂SPS制备的Al2O3陶瓷，在微观结构和晶粒尺寸上有何区别？

祥主管

掺杂改变了SPS过程中的原子扩散机制，因为发生了从体积扩散到晶界扩散的转变；因此，所得Al的微观结构和晶粒尺寸2O3陶瓷可以被控制。
此外活化能SPS Al的2O3比常规烧结的低大约50%。合成的掺杂粉末在比它们的纯对应物更低的温度下开始收缩，因为施加的压力诱导了al的重排2O3未经烧结的颗粒。
烧结过程中没有停顿，纯样品和掺杂样品具有相似的微观结构；然而，在1100℃烧结30分钟后，观察到显著的差异，因为纯样品高度致密，可见晶粒生长，而在自掺杂样品中几乎看不到晶粒生长。
在掺杂的样品中，铝2O3纳米颗粒附着在大颗粒的表面并因此分离，这改变了烧结行为。

掺杂粉末的致密化直到温度达到1340℃才接近完成，该温度比纯样品的温度高约50 ℃,因为自掺杂增加了原子扩散的能垒。
在离子开始扩散穿过晶界之前，掺杂样品中存在的成核颗粒阻碍了烧结初始阶段的晶粒重新取向。
在1300℃烧结的掺杂样品比未掺杂样品具有更大的晶粒；这表明掺杂剂阻碍了Al的晶粒生长2O3。
这可以用烧结阶段来解释，因为在初始阶段烧结是由晶粒重排控制的因此，掺杂剂对于控制透明陶瓷的晶粒生长非常有用。
使用高压(> 400 MPa) SPS来制造高透明氧化铝陶瓷，其具有65.4%的光学透射率和200 nm的平均晶粒尺寸本研究的一个重要结论是低成本的碳纤维复合材料(CFC)可用于冲压模具。

在这项研究中，0.6克高纯度商品铝2O3粉末以10°C/min的速度加热至1000°C，当温度以10°C/min的速度升至800–1000°C时，压力逐渐升高。
达到1000℃后，CFC和钨 碳化物(WC)冲头分别为5.7毫米和2.7毫米；使用CFC冲头的样品比使用WC冲头的样品收缩得更多，因为CFC冲头上的压力诱导应变大于WC冲头上的压力诱导应变。
随着压力的消除，CFC构型上的应变略有恢复。
在400 MPa (CFC)和500 MPa (WC)下烧结的0.8mm厚的样品的光学透射率是相当的:在645 nm下分别为61.3%和63.0%。
报道了一种开发透明铝的极高压力(7.7 GPa)和低温(800°C)的SPS工艺2O3陶瓷与纳米晶体谷物最终样品的平均粒度为0.15微米，而0.8毫米厚的样品在640纳米处的最大直线透射率为71%。

更重要的是，透明的铝2O3陶瓷表现出很强的机械特性微硬度断裂韧性为25.5±0.3 GPa和2.9±0.3 MPa·m1/2，分别为。
在400℃烧结后，烧结的样品已经不透明；然而，它在热退火后是易碎的。

在600、700和800℃烧结后，所有样品都是高度透明的，在800℃烧结30分钟的样品显示出最高的直线透射率。
当烧结温度超过1000℃时，样品变成半透明的，晶粒尺寸显著增加。
截面表面SEM图像显示在800℃烧结的样品具有显著的晶间断裂和具有随机取向的纳米尺度的颗粒。
使用了纳米晶铝2O3晶粒≤ 50纳米的粉末制备透明铝2O3使用SPS和HP进行比较的陶瓷作者报道了由合成粉末得到的SPS和热压样品由于过度的晶粒生长而具有大的晶粒尺寸，这不能通过粗糙使用喷雾冷冻干燥。

然而，使用相对生坯密度为53%的粉浆浇注能够防止过度的晶粒生长。
当SPS在1200℃和500 MPa下进行20分钟时，所得Al的平均晶粒尺寸2O3陶瓷为0.32微米，线内透射率高达80%，显微硬度为22 GPa。
使用的SPS工艺2O3通过分散铝制备陶瓷2O3粉末在去离子水中，负载水平为60重量%,具有阴离子聚合电解质作为分散剂。
在注浆成型后，坯体首先在室温和50%相对湿度下干燥72小时，然后在烘箱中在60℃下干燥。
还通过喷雾和冷冻干燥从浆料中制备粒状粉末。
在测量样品密度之前，粘合剂被完全除去。
对于热压样品，铝2O3粉末以10°C/min的速度直接加热到900°C，首先在真空下，然后在氩气中，烧结在1400–1700°C下进行5小时。
在烧结过程中，用石墨柱塞在模具两端施加40 MPa的压力。

对于SPS实验，研究了两种样本大小；20毫米直径的样品在70 MPa下烧结，5毫米直径的样品在500或1000 MPa下致密化。
在这两种情况下，温度以100 ℃/分钟的速度升高到中间温度(700 ℃),此时施加压力；样品分别在70 MPa和500/1000 MPa下烧结30分钟和20分钟。
SPS样品在645 nm处达到70%的线内透射率。
晶体取向是提高铝等双折射陶瓷透明度的有效方法2O3因为当光轴对齐时可以抑制晶界处的双折射制造了高透明度铝2O3具有定向的C轴和精细的微结构，在强磁场下使用注浆成型，随后在1150℃SPS 20分钟。

织构铝的实时线内透射率2O3对于0.80毫米厚的样品，在640纳米处的平均折射率为70%。
这高于随机取向氧化铝的平均折射率，因为c轴取向降低了平均折射率的实际差异折射率并且显著抑制了双折射。
足利等人使用了商用铝2O3粉末的平均粒度为0.39微米，比表面积为4.5平方米2/g为前驱体。
艾尔2O3用分散剂将粉末悬浮在蒸馏水中，以通过相互电致静电排斥来促进分散，并且将具有30体积%固体负载的悬浮液用于粉浆浇注。
在固结过程中，在室温下施加平行于取向和压制方向的12 T强磁场来排列坯体。
对齐的生坯通过以下方式进一步压实预编目录在392 MPa下保持10分钟而不改变颗粒取向。

CIP后，样品在空气中于500℃热处理60分钟以去除有机化合物，随后在1150℃和100 MPa下进行SPS。
在SPS过程中，温度快速升至600 ℃,然后以5 ℃/分钟或2 ℃/分钟的速度升至1150 ℃;在以5℃/分钟和2℃/分钟的速度加热后，样品分别烧结10分钟和20分钟。
所有烧结样品在1000℃下退火10分钟。
显示了在以2 ℃/分钟的速度加热后，在1150℃烧结20分钟的样品中垂直和平行于磁场的平面的X射线衍射(XRD)光谱。
在垂直于磁场的表面上，即T平面上，存在(006)峰和属于(00 l)平面的(1010)峰，并且(1010)峰更强。

为了比较，平行于磁场的表面，即S平面的XRD谱显示出比T平面更强的(hk0)峰强度。
这些结果表明铝2O3陶瓷具有晶体结构，其中c轴平行于施加的磁场，这证实了在烧结过程中保持了排列。
其他研究也报道了类似的结果。
粉末加工也是开发透明铝的重要策略2O3陶瓷。
作为一个例子，Godinski报道了一种提高前体粉末堆积密度以获得透明铝的浮动堆积工艺2O3亚微米颗粒陶瓷在这项研究中。
Al2O3将粉末分散在水中形成水悬浮液，将其脱气并随后转移到专门设计的模具中，在其中颗粒在良好控制的条件下沉淀。

由于静电和电致伸缩排斥力，大颗粒沉淀在模具底部，形成了具有均匀尺寸的小颗粒的稳定悬浮体。
从细颗粒中除去大颗粒和团聚颗粒，通过控制室内的温度和湿度来浓缩和干燥悬浮液。
由于固结过程足够慢，大颗粒已被除去，细颗粒处于准平衡状态，因此所得生坯均匀、同质且无缺陷。
由于晶粒细小，透明陶瓷具有均匀的显微结构和较高的光学特性可与蓝宝石和一些商业产品(RB92)相比，它们具有相对较大的晶粒尺寸(例如15微米)。
因此，透明铝2O3使用这种方法合成的陶瓷有望比商业产品具有更高的机械强度。

流延法已经广泛用于制备透明铝2O3又大又薄的陶瓷杨和吴使用了一种由水性环保浆料组成的流延浆料共聚物异丁烯和马来酸酐来制备透明氧化铝陶瓷晶片通过优化增塑剂含量，可以控制干燥带(240-740微米厚)的机械性能。
对于脱脂和预烧结，在以3–5°C/min的速度加热后，将生坯在1000°C下煅烧3–5h。
然后在10℃下，在1750–1850℃下烧结这些薄板−5–10‒6以10 ℃/分钟的速度加热后，持续5小时。
烧结后，铝2O3陶瓷片有150-660微米厚。
未抛光的660微米厚的透明晶片在600纳米下显示出26%的直线透射率；因此，仍然有提高这些陶瓷的光学透明度的空间。

半透明铝2O3陶瓷也可以通过水基流延和真空烧结来生产在本研究中。
研究了粘结剂含量对浆料流变性、生坯显微结构以及铝片显微结构和光学性能的影响2O3陶瓷。
流变特性表明，研究中使用的泥浆具有良好的剪切稀化性能。
在一系列加工步骤之后，层压的铝2O3生坯在200 MPa下用CIP处理2分钟，然后在10℃下于1810℃烧结−3由含有10体积%聚乙烯醇(PVA)的浆料得到的样品显示出最高的透明度。
因为它们具有完美的微结构和高质量的晶界，具有典型的三重结，没有孔或第二相。

相反，铝的横截面SEM图像2O3从含有8体积% PVA的浆料中获得的平均粒度为20微米的陶瓷在晶粒中和晶界处显示出孔隙。
当PVA含量增加到12体积%时，孔的数量和尺寸增加异常晶粒生长如中所示因此，必须优化PVA含量以获得Al2O3高光学透明度的陶瓷。
注浆成型也是制造透明陶瓷的一种流行方法。
Drdlik等人报道了一种可以生产透明铝的注浆技术2O3掺不同浓度铒的陶瓷3+(0.15原子%)。
其可用于优化光致发光性质商业铝2O3平均尺寸为150纳米的粉末和er2O3具有20-30纳米颗粒的粉末用于制备含有45体积%铝的均匀悬浮液2O3在去离子水中，它们被倒入聚氯乙烯菜肴。
在空气中室温干燥三天后，样品在80°C下干燥5小时，采用两步法将颗粒预烧结成相对密度为95–96%的圆盘。

预烧结的第一步是加热到1440℃而不停留，第二步是加热到1280℃并保持10小时，然后以20℃/分钟的速度冷却。
两步预烧后，所有样品都在Ar中于1280℃和200 MPa下进行HIP，以消除闭孔。
生成的铝2O3陶瓷完全致密化，具有亚微米晶粒尺寸和高达60%的透明度维氏硬度对于10 N的负载高达27 GPa。
发现透明铝2O3陶瓷可以来源于用铝粘结的粗球形颗粒2O3高压和中等温度下的纳米粉末粗球形粉末是99.8%的铝2O3–90%α-铝2O3和10%的δ-铝2O3–含1–38个微米颗粒。
纳米粉末的α-Al含量为99.99%–90%2O3和10% θ-Al2O3–平均粒径为80纳米。
微米和纳米粉末以17∶3的重量比混合；对烧结混合物进行超声波处理以分散纳米颗粒，随后用滚筒混合器进行机械混合。
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/0pIHWTem
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