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氧化钇透明陶瓷不但具有陶瓷的固有属性如耐高温,耐腐蚀,高强度,还具有较宽的透明范围,在高温窗口材料,固态激光介质材料等许多方面有着广泛的应用,因此氧化钇透明陶瓷材料的研究也成为了热点。
国外对氧化钇透明陶瓷开展了广泛而深入的研究,制备出了可以和单晶性能相媲美的高性能氧化钇透明陶瓷,但是对其制备的核心工艺一直处于技术封锁状态。国内虽然也开展了对氧化钇透明陶瓷的研究,但是所获得的陶瓷样品光学性能与国外相比还有一定差距。
在调研国内外研究现状的基础上,本文从微观结构一性能主线出发,分别采用湿化学法和固相法两条路线,研究了不同条件对氧化钇透明陶瓷制备过程的影响。主要结果如下:
(1):分散性较好的氧化钇前驱体的合成。在添加乙醇和硫酸铵作为分散剂的条件下,采用共沉淀方式,获得不同形貌的前驱体,前驱体的组成均为无定形的(Ndo0.02Y0.98)2(C03)3·2H20。硫酸铵对前驱体的分散效果比乙醇要好。当硫酸铵添加量R≥0.10时,可以获得分散性较好的丝棒状前驱体。获得的丝棒状前驱体长度约为300 nm,宽度为10~15 nm。
(2):硫酸根离子在前驱体制备过程中的可能作用机理。硫酸根作为分散剂添加到共沉淀过程中,随着添加量的增加,所获得的前驱体分散性不断改善,最终趋于稳定。通过有关实验数据,建立模型,研究发现:硫酸根对丝棒状前驱体的形成有重要作用,通过吸附到晶核表面带正电荷较多的位置,增加静电排斥,减少团聚。随着丝棒状前驱体的最终形成,硫酸根的吸附作用不断减弱,最终不再起到分散作用,经洗涤随副产物等而离开,留下丝棒状前驱体。
(3):前驱体煅烧过程中氧化钇纳米粒子的生长过程。研究发现:氧化钇纳米粒子的生长过程,受到与温度有关的原位分解和合并长大两种机理的控制。采用乙醇和硫酸铵为分散剂所获得的纳米氧化钇在1200℃以下的低温阶段,晶粒生长的活化能分别为Eo=22.930 KJ/mol和E.=34.953 KJ/mol。硫酸铵添加量R=0.10的前驱体在1100℃煅烧3h后,获得的氧化钇纳米粉体颗粒近似球形,平均粒径约为50 nm,具有良好的分散性。
(4):氧化钇纳米粉体为原料制备透明陶瓷。添加乙醇或硫酸铵时获得的前驱体在1100℃煅烧3h后,粉体烧结活性完全不一样。粉体分散性越好,烧结活性越高,所获得的陶瓷透明性越高。研究表明:硫酸铵添加量R=0.10的前驱体在1100℃煅烧3h后,获得分散性良好的近似球形的氧化钇纳米粉体具有较高的烧结活性,在1800℃真空烧结10h后,制备出的透明陶瓷(1mm厚)在llOOnm处的透过率为79.072%,达到理论透过率的96.51%,所获得的陶瓷具有均一的微观结构,没有气孔和杂相存在。高温烧结阶段,采用源于乙醇和硫酸铵所获得的粉体为原料的氧化钇陶瓷中,晶粒生长的活化能分别为Ea=1077.965KJ/mol和Ea=1650.523 KJ/mol。
(5):添加纳米级氧化锆为烧结助剂制备氧化钇透明陶瓷。分别采用S1和S2,有效分散混合粉体,以0.1%的S2效果为最佳。氧化锆的添加量x=0.035时,采用于压成型和真空烧结技术,在1840℃真空烧结15h,获得的陶瓷具有均一的微观结构,无气孔和杂相存在,陶瓷样品(1 mm厚)在11OOnm处的透过率为81.309%,达到理论透过率的99.24%。氧化锆是一种较好的烧结助剂,能有效降低氧化钇烧结温度和反应的活化能,促进陶瓷烧结和致密化,有利于制备高透明性氧化钇陶瓷,陶瓷中晶粒生长的活化能为Ea=1570.809KJ/mol。
本论文的研究表明:经由湿化学法和固相法路线,通过调节工艺参数,均可以制备出高透明性的氧化钇陶瓷,且以固相法路线制备的氧化钇陶瓷更优。