宽光谱透过Mg0.9Al2.08O3.97N0.03透明陶瓷的制备与性能研究

MgAl₂O₄透明陶瓷具有优异的光学性能, 但其较差的机械性能和成型过程中的水解问题限制了实际应用, 通过组成设计MgAlON四元尖晶石可以有效调节其综合性能。本研究采用凝胶注模成型、无压烧结和热等静压处理制备了一种具有宽光谱透过范围的新型Mg_0.9Al_2.08O_3.97N_0.03透明陶瓷, 系统比较其与MgAl₂O₄透明陶瓷的光学性能和机械性能, 分析了低应力下裂纹的缓慢扩展并预测使用寿命。研究表明：固相体积分数为50%的陶瓷浆料粘度最低, 为124 mPa·s, 满足凝胶注模成型的需求; 2 mm厚的Mg_0.9Al_2.08O_3.97N_0.03透明陶瓷样品在3.7 μm处的直线透过率达86.2%, 光学透过范围与MgAl₂O₄相比拟, 折射率和阿贝数略高于MgAl₂O₄; 同时, 该陶瓷具有和MgAl₂O₄相近的Weibull模数, 尽管裂纹缓慢扩展系数比MgAl₂O₄小, 但特征强度(210.6 MPa)和惰性强度(227.5 MPa)均高于MgAl₂O₄。包含少量N的MgAlON尖晶石较好地克服了陶瓷粉体的水解问题, 并在保持优越光学性能的前提下显著提高了透明陶瓷的机械性能。本研究为尖晶石型透明陶瓷的制备与性能的改善提供了新的途径。     

Mg0.27Al2.58O3.73N0.27透明陶瓷机械性能评价

MgAlON透明陶瓷具有优良的光学与机械性能, 在军用和民用领域均具有重要的应用潜力。本研究表征并评价了Mg_0.27Al_2.58O_3.73N_0.27透明陶瓷的机械性能, 实验测定了Mg_0.27Al_2.58O_3.73N_0.27透明陶瓷的维氏硬度、断裂韧性以及室温和高温断裂强度, 并使用Weibull函数对室温断裂强度测试结果进行统计。结果表明: 该透明陶瓷特征断裂强度为255 MPa、断裂韧性为2.56 MPa/m^1/2、杨氏模量为288 GPa、硬度为15.1 GPa。样品的Weibull模数为4.5, 1200℃下样品断裂强度达125 MPa。同时还测定了不同载荷下Mg_0.27Al_2.58O_3.73N_0.27透明陶瓷的硬度与不同载荷加载速率下的断裂强度。研究表明MgAlON光学透明陶瓷机械性能介于AlON和MgAl₂O₄之间。     

MgAl2O4:Mg荧光粉的合成及其发光性能

用超声辅助聚丙烯酰胺凝胶法合成了MgAl₂O₄:Mg荧光粉。在MgAl₂O₄体系中引入的Mg金属颗粒抑制了MgAl₂O₄相的形成,在900℃及以上的温度烧结MgAl₂O₄:Mg干凝胶粉末,镁颗粒氧化成MgO。Mg金属颗粒的引入使MgAl₂O₄:Mg荧光粉的形貌由细小的纳米颗粒变为方便面型;MgAl₂O₄:Mg荧光粉的颜色由在600℃烧结时的暗棕色变为在800℃烧结时的白色,在1000℃烧结时白色变暗。随着烧结温度的提高MgAl₂O₄:Mg荧光粉的能带先增大后略微减小。引入镁颗粒使荧光光谱中位于395和425 nm的两个荧光峰淬灭,在650、656和680 nm出现三个新的荧光发射峰,且随着烧结温度的提高发光强度减弱。金属颗粒的表面等离子体共振导致MgAl₂O₄主晶格荧光淬灭,缺陷能级使MgAl₂O₄:Mg荧光粉产生了新的荧光发射峰。     

尖晶石型AFe2O4催化剂的制备及其催化燃烧甲苯的研究

通过溶胶-凝胶-自蔓延燃烧法制备尖晶石型AFe₂O₄(A=Cu, Co, Ni, Mg, Zn)催化剂, 以甲苯为VOCs模拟气, 考察AFe₂O₄催化剂对VOCs的催化燃烧活性, 并采用XRD、N₂吸附-脱附、SEM、TEM、H₂-TPR、XPS对催化剂进行表征分析。结果表明: AFe₂O₄表现出较好的催化燃烧活性, 其中CuFe₂O₄的催化燃烧活性最佳, 起燃温度(T50)和完全燃烧温度(T90)分别为188℃、239℃。AFe₂O₄具有明显的片状尖晶石晶体, 并形成以介孔为主的多级孔结构, 该特点为催化剂提供了大量表面活性位。A位元素种类对其催化燃烧活性影响较大, 当A位元素为Cu时, Cu的H₂还原峰面积远大于其他元素, H₂还原温度仅为289℃, 表面亲电子氧和氧空位浓度占氧元素总量(O_ele/O_1S)的36%。CuFe₂O₄为片状反尖晶石晶型, 晶格体积仅为0.294 nm³, 并伴有CuO和α-Fe₂O₃物种。以介孔为主的多级孔结构、特有的片状反尖晶石晶型以及该晶型与CuO和α-Fe₂O₃的协同作用是CuFe₂O₄催化燃烧活性提高的主要原因。     

ZnO·2.56Al2O3透明陶瓷凝胶注模成型与烧结制备

锌铝尖晶石透明陶瓷是典型的结构功能一体化材料, 具有优异的光学、热学以及介电性能。本研究以ZnAl₂O₄和Al₂O₃为原料, 通过凝胶注模成型制备ZnAl₂O₄-Al₂O₃复相陶瓷初坯。实验探究了分散剂含量、pH以及固相量对ZnAl₂O₄-Al₂O₃混合料浆流变学特性的影响, 制得固相量为50vol%的低黏度稳定料浆。浇注成型后的坯体通过无压烧结和热等静压反应烧结制备透明陶瓷。最终获得的ZnO·2.56Al₂O₃透明陶瓷样品在厚度为1.8 mm下可见光波段透过率达到70%, 红外波段透过率达到80%以上, 维氏硬度为(11.34±0.17) GPa, 杨氏模量为285 GPa。     

Ni2+掺杂尖晶石相透明微晶玻璃制备及光学性能

实验制备了Ni²⁺掺杂的ZnO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(ZMAS)体系的透明微晶玻璃, 研究了微晶玻璃的超宽带发光现象。热分析结果表明样品的玻璃化转变温度(T_g)和析晶峰温度(T_c)分别为754℃和948℃。采用X射线粉末衍射分析了两种热处理制度对玻璃的晶体形核、晶体生长及物相变化的影响, 结果表明: 采用阶梯温度热处理制度可以得到Ni²⁺掺杂的尖晶石相透明微晶玻璃。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测试表明制备的Ni²⁺掺杂ZMAS微晶玻璃中Ni²⁺以四配位和六配位共同存在于尖晶石相中, 红外荧光中心位于1324 nm的样品荧光半高宽达490 nm。样品的超宽带荧光主要是由于微晶玻璃中六配位Ni²⁺在ZnAl₂O₄和MgAl₂O₄形成的尖晶石相固溶体晶体场中的³T_2g(³F)→³A_2g(³F) 能级跃迁。实验结果表明, 制备的微晶玻璃在超宽带光纤放大器等光子器件中具有潜在的应用前景。     

纤维增强ZrO2泡沫陶瓷的制备及导热性能

ZrO₂气凝胶具有比表面积大、吸附能力强、隔热等优异性质，在催化剂载体、气体过滤材料、高效隔热材料、高温构件等领域具有广阔的应用前景。然而，氧化锆气凝胶在高温环境下因晶型转变导致孔结构破坏、骨架结构坍塌而表现出较差的力学性能，使其在实际应用中受限。采用纤维增强方法，在高热稳定氧化锆气凝胶基础上，通过H₂O₂发泡法制备了高强度ZrO₂泡沫陶瓷，并对其进行了制备工艺以及高温热温度性、表观密度、气孔率、抗压强度和导热性能进行测试分析。测试结果表明，气凝胶与纤维增强结合的泡沫陶瓷经5 h、1 400℃高温处理后仍然保持四方晶相结构，表现出优良的高温热稳定性。当纤维含量为35%时，氧化锆泡沫陶瓷抗压强度最佳，为15.3 MPa。当纤维含量为30%、H₂O₂与ZrO₂气凝胶质量比为4∶8时，泡沫陶瓷的表观密度最低，仅为1.104 g·cm^-3,气孔率为81.6%,且分别在室温、1 000℃条件下，泡沫陶瓷的导热系数分别为0....     

MgO·1.5Al2O3透明陶瓷的无压/热等静压烧结制备

镁铝尖晶石透明陶瓷是典型的结构功能一体化材料, 具有优异的光学和机械性能。实验合成了颗粒细小、均匀的单相MgO·1.5Al₂O₃陶瓷粉末, 并且利用XRD全谱拟合软件Fullprof和尖晶石位置分配程序SIDR两步法确定其晶体结构为(Mg_0.46Al_0.54)^IV[Mg_0.26Al_1.64□_0.09]^VIO₄。再通过真空无压烧结结合热等静压烧结制备出了高性能的透明陶瓷, 热等静压18 MPa下1850℃烧结4 h所得样品的致密度达到99.75%, 厚度为2 mm的烧结样品可见光透过率达到65%, 红外波段透过率达到80%以上, 维氏硬度为(12.75±0.12) GPa, 杨氏模量为277 GPa。     

固体激光用Nd:Lu2O3透明陶瓷的制备和光学性能研究

Nd:Lu₂O₃材料由于具有高热导率、低声子能量和优异的光学特性而成为非常有前景的高功率固体激光器用的增益介质。但Lu₂O₃单晶的熔点超过2400 ℃, 难以生长, 而Lu₂O₃陶瓷既能在低温下制备, 又具有与晶体相当的光学性质和激光性能从而备受关注。本研究制备了高透明的Nd:Lu₂O₃陶瓷并对其光学性质和激光性能进行探究。以共沉淀法制备的纳米粉体为原料, 采用真空烧结结合热等静压(HIP)两步烧结法制备了1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷。对制备的粉体、素坯和陶瓷的微结构进行了表征: HIP后处理的陶瓷平均晶粒尺寸是724.2 nm。厚度为1.0 mm的1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷在1100 nm处的直线透过率是82.4%, 样品在806 nm处的吸收截面为1.50′10^-20 cm², 而根据荧光光谱计算得到的发射截面为6.5′10^-20 cm²。分别在878.8 和895.6 nm波长激发下, 1.0at%Nd:Lu₂O₃透明陶瓷⁴F_3/2·⁴I_11/2跃迁的平均荧光寿命均为169 ms。当输出耦合镜的透过率T_OC=2.0%时, 退火后的1.0at% Nd:Lu₂O₃透明陶瓷获得了最大输出功率为0.47 W的准连续(QCW)激光输出, 斜率效率为8.7%。本研究成功制备了显微结构均匀、高透明度的1.0at%Nd:Lu₂O₃陶瓷, 并展示了其在固体激光增益介质领域的广阔应用潜力。     

非化学计量比调控高电压尖晶石正极材料电化学性能研究

用一种简单的方法制备了高性能的高电压尖晶石正极材料, 主要是调控正极材料中锂与过渡金属的摩尔比, 即通过Ni_0.25Mn_0.75(OH)₂与Li₂CO₃进行高温固相反应制备了非化学计量比的Li_1.05Ni_0.5Mn_1.5O₄和化学计量比的LiNi_0.5Mn_1.5O₄尖晶石型高电压正极材料。用扫描电子显微镜、X射线衍射、中子衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱以及循环伏安曲线对其形貌、晶体结构及元素价态和电化学性能进行了表征。研究发现, 非化学计量比的Li_1.05Ni_0.5Mn_1.5O₄中由于金属离子随机分布于16 d位置, 所以Ni/Mn阳离子无序化程度更高。非化学计量比的高电压正极材料具有更为优异的倍率性能, 并且在400次循环后比容量保持率高达91.2%。同时, 原位X射线衍射测试结果表明, 在充放电过程中非化学计量比的高电压正极材料发生连续单一的相转变, 可以提高晶体结构的稳定性。因此, 非计量比的尖晶石Li_1.05Ni_0.5Mn_1.5O₄正极材料在高能量密度的锂离子电池中具有更广阔的应用前景。     

引入MgAl_2O_4对Ti_3SiC_2基复合材料性能的影响

采用反应热压烧结法制备MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料,研究热压温度和MgAl2O4含量对该复合材料相组成、力学性能及抗氧化性能的影响。结果表明:热压温度影响MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料相组成,在1 450℃烧结可得到性能良好的MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。引入适量的MgAl2O4,起到弥散强化的作用,有助于提高复合材料的力学性能,当引入量为20wt%时,抗弯强度为527.6 MPa,断裂韧性为7.09 MPa·m1/2。MgAl2O4/Ti3SiC2试样的抗氧化性能优于Ti3SiC2试样。MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料在1 400℃氧化后的氧化层分两层,外层是Mg0.6Al0.8Ti1.6O5和金红石型TiO2,内层是由TiO2、方石英SiO2及少量未氧化的基体相混合组成。     

陶瓷添加物对Ti_3SiC_2基复合材料抗氧化性的影响

为研究陶瓷添加物对Ti3SiC2基复合材料性能的影响,首先,采用反应热压烧结法制备了Ti3SiC2材料及陶瓷添加物含量均为30wt%的SiC/Ti3SiC2、Al2O3/Ti3SiC2和MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。然后,测试了材料的力学性能和导电性,在1 373~1 773K温度范围内对Ti3SiC2基复合材料的抗氧化性进行了研究,并对其烧结试样的物相组成和显微结构等进行了表征。结果表明:Ti3SiC2在高温氧化后的主要产物为TiO2和SiO2;氧化层分为内外2层,内层由TiO2与SiO2这2相混合组成,外层为TiO2;氧化层中存在大量显气孔,结构较为疏松,导致抗氧化性较差。与Al2O3/Ti3SiC2和MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料相比,SiC/Ti3SiC2复合材料具有更好的抗氧化性。     

真空烧结制备(La0.2Nd0.2Sm0.2Gd0.2Er0.2)2Zr2O7高熵透明陶瓷

高熵陶瓷是近年来陶瓷材料研究的热点, 制备性能优异的高熵陶瓷是陶瓷材料的发展趋势。本研究采用燃烧法结合真空烧结制备出高熵透明陶瓷。测试结果显示燃烧法制备高熵(La_0.2Nd_0.2Sm_0.2Gd_0.2Er_0.2)₂Zr₂O₇粉体的平均晶粒尺寸为8 nm, 高熵粉体为无序的缺陷萤石结构。在真空炉中不同温度烧结的高熵陶瓷具有有序的烧绿石结构。烧结温度对高熵透明陶瓷的在线透过率影响不大, 最大透过率为74%(@1730 nm), 其透过率光谱中出现大量吸收峰。随着烧结温度的升高, 陶瓷的体积密度有所上升, 晶粒尺寸增大, 而维氏硬度逐渐降低。     

ZrO_2增韧Al_2O_3陶瓷的力学性能和增韧机制

对通过热压烧结法制备的3种陶瓷99.5vol%Al2O3(AD995)、ZrO2(15vol%)/Al2O3和ZrO2(25vol%)/Al2O3的力学性能和增韧机制进行了实验和理论研究。基于复合材料细观力学理论并考虑ZrO2的相变特性,建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力学性能的本构模型。结果表明:ZrO2的加入细化了基体Al2O3晶粒,ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高;3种陶瓷试件的破坏呈现小变形到脆性破坏的特点,压缩加载下试件应力-应变曲线近似为线性关系;AD995陶瓷的断裂韧性为5.65 MPa·m1/2,ZrO2(25vol%)/Al2O3陶瓷的断裂韧性为8.42 MPa·m1/2,提高了近50%;随ZrO2增韧相含量的增加,ZrO2/Al2O3陶瓷的弹性模量降低而断裂韧性增加,这一变化趋势与实验结果有良好的一致性。     

Formation of MgAl2O4 in Al2O3-(Al-4wt.%Mg) composites

The Al₂O₃ particles are introduced into the Al-4wt.%Mg melt by the “vortex” method. After being cast, Al₂O₃-(Al-4wt.%Mg) composites are remelted at 700, 750, 800 and 850°C for different residence times to investigate the formation of MgAl₂O₄ (spinel).

The results show that MgAl₂O₄ is the unique interface of the Al₂O₃-(Al---Mg) composites held at 700–850°C. Fine MgAl₂O₄ crystals grow on the surface of the Al₂O₃ particle but, as the holding temperature and the residence time increase, some spinels will form themselves into pyramidal shape. The MgAl₂O₄ grows not only at the matrix-particle interface but also on the surface of the composite specimens. The formation reactions of interfacial MgAl₂O₄ are as follows: Mg(1) + 2Al(1) + 2O₂(g) = MgAl₂O₄(s)3Mg(1) + 4Al₂O₃(s) = 3MgAl₂O₄(s) + 2Al(1) Both of them are equally important.