镁铝尖晶石透明陶瓷的制备与性能研究

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作者：

韩丹

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摘要：

镁铝尖晶石透明陶瓷具有透光范围广,强度高,耐高温和制备成本低等优点,在透明装甲,红外窗口和红外整流罩等领域应用潜力巨大.21世纪初,随着纳米粉体制备工艺和热等静压烧结技术的快速发展,大尺寸,高光学质量的镁铝尖晶石透明陶瓷得以制备.目前最成熟的制备工艺是以镁铝尖晶石粉体为原料,Li F为烧结助剂,通过热压结合热等静压烧结制得透明陶瓷.该方法对原料粉体和设备的要求比较高,批量化生产成本高.同时,LiF容易造成晶粒长大和晶界微裂纹的产生,导致样品的力学性能降低,限制了它在透明装甲和高马赫武器领域的应用.本课题针对以上问题,在不添加烧结助剂的条件下,采用成本低,来源广泛的氧化镁和氧化铝粉体为原料,通过无压固相反应烧结和热等静压烧结制备镁铝尖晶石透明陶瓷.系统研究了氧化铝晶型,铝镁比,烧结制度,烧结气氛等对样品相转变,致密化过程,微观结构演变以及最终性能的影响规律.在此基础上,探索不同的烧结助剂对镁铝尖晶石透明陶瓷制备的影响,寻找可以取代LiF的烧结助剂,最终低成本制备出高光学质量,高强度的镁铝尖晶石透明陶瓷.本论文主要开展以下几个方面的工作:(1)分别以α-Al_2O_3和γ-Al_2O_3为铝源,通过固相反应烧结制备出化学计量比的镁铝尖晶石透明陶瓷,系统研究了氧化铝晶型对样品成相过程,致密化速率,微观结构演变以及最终透过率的影响.以α-Al_2O_3为原料时,样品需要在高温下进行预烧处理,预烧样品内部的残余气孔尺寸较小,且主要分布在三角晶界处,可以通过热等静压烧结完全排除,最终制备出高透过率的镁铝尖晶石透明陶瓷.以γ-Al_2O_3为原料时,样品的预烧温度比以α-Al_2O_3为原料的样品降低200~oC左右,但过快的致密化速率会使预烧样品内部产生热力学稳定的高配位大气孔;在热等静压烧结过程中,大气孔容易造成晶粒异常长大和气孔残留,严重影响样品的光学质量.相比之下,γ-Al_2O_3有利于实现镁铝尖晶石透明陶瓷的低温烧结,但需要避免预烧过程中大气孔的产生.(2)以高烧结活性的γ-Al_2O_3和MgO粉体为原料,制备铝镁比n=0.98-2.5的镁铝尖晶石透明陶瓷,系统研究了铝镁比对样品制备与性能的影响.富镁和化学计量比的样品具有很高的致密化速率,导致预烧样品内部产生热力学稳定的大气孔,大气孔的存在使样品在热等静压烧结过程中容易出现晶粒异常长大和气孔残留现象,很难得到高光学质量的透明陶瓷.富铝样品的致密化速率较低,有效避免了预烧样品中大气孔的出现,有利于微观结构均匀,透过率高的透明陶瓷的制备.进一步优化富铝的镁铝尖晶石透明陶瓷的制备工艺,结果表明:当铝镁比超过1.5时,样品在高温下进行热等静压烧结的过程中容易析出亚稳的镁铝尖晶石第二相,烧结温度越高,第二相析出量越大,造成样品的光学质量明显下降.通过合理控制铝镁比和烧结温度,在1550~oC热等静压烧结条件下成功制备出n=1.1和1.3的透明陶瓷;平均晶粒尺寸约5μm,400 nm处的透过率达84%以上,.(3)分别采用空气和真空气氛对样品进行预烧处理,系统研究了预烧气氛对样品微观结构和透过率的影响.空气预烧样品的内外微观结构基本一致,最终的透过率主要取决于热等静压烧结温度,温度过高容易导致亚稳态第二相的析出;此外,由于空气中的水容易与镁铝尖晶石发生反应生成羟基,在3μm处出现了明显的吸收峰.真空条件下,Mg/MgO容易挥发,样品表面会出现成分梯度和差分烧结现象,导致表面形成明显的大晶粒层;大晶粒层的存在会抑制内部气孔向外扩散,需要提高热等静压烧结温度;但是,真空预烧产生的氧空位可以有效抑制第二相的析出,有利于高铝镁比样品的制备.(4)分别探索了CaO,La_2O_3和Y_2O_3三种烧结助剂对n=1.5反应烧结镁铝尖晶石透明陶瓷制备的影响,并与商业S30CR镁铝尖晶石粉体进行对比.结果表明:三种烧结助剂均可有效提高样品的透过率,但在力学性能方面,只有La_2O_3对陶瓷的抗弯强度起到强化作用.此外,使用氧化铝和氧化镁的混合粉体为原料时,游离的氧化物更容易与烧结助剂发生反应,可以有效降低烧结助剂的添加量,避免第二相的产生及其对透过率的影响.

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关键词：

镁铝尖晶石；透明陶瓷；固相反应烧结；透过率；微观结构

学位级别：

博士

DOI：

CNKI:CDMD:1.1018.961024