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關(guān)于氧化鋯透明陶瓷目前研究較少,首先,由于完全致密的氧化鋯陶瓷的燒結(jié)溫度高,因此制備氧化鋯透明陶瓷仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
再者,ZrO2熔點(diǎn)高達(dá)2715℃,純ZrO2常溫下為單斜相,而只有立方相結(jié)構(gòu)才不存在光學(xué)各向異性,因而立方相更適合制備透明陶瓷,故一般需要采用穩(wěn)定劑如Y2O3將其穩(wěn)定到立方相,即目前關(guān)于氧化鋯透明陶瓷的研究主要是針對(duì)釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷,即YSZ透明陶瓷。
YSZ透明陶瓷的應(yīng)用
YSZ透明陶瓷在可見(jiàn)光波段的折射率高達(dá)2.16,折射率高于傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃和光學(xué)樹(shù)脂,用于制作光學(xué)鏡頭,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)碼設(shè)備的小型化。YSZ透明陶瓷在可見(jiàn)光和中紅外擁有良好的透過(guò)率,其透過(guò)波段為0.25~7.5μm,而且耐磨損、耐酸堿腐蝕、耐雨水侵蝕,是透明裝甲、紅外窗口和整流罩的理想候選材料,其主要應(yīng)用如下圖所示。
YSZ透明陶瓷的應(yīng)用前景:光學(xué)鏡頭、透明陶瓷裝甲和整流罩
YSZ透明陶瓷的研究進(jìn)展
國(guó)外方面
1986年,日本東曹公司的Tsukuma等以日本東曹商業(yè)8YSZ粉體為原料,以TiO2作為燒結(jié)助劑,通過(guò)空氣預(yù)燒結(jié)合熱等靜壓(HIP)燒結(jié),制備出世界上第一塊YSZ透明陶瓷。
日本東曹公司制備的8YSZ透明陶瓷樣品的實(shí)物照片
2008年Tsukuma等改進(jìn)了HIP技術(shù),制備出直線透過(guò)率在可見(jiàn)光波段與單晶相近的YSZ透明陶瓷,發(fā)現(xiàn)具有細(xì)晶粒和晶間氣孔的預(yù)燒體在HIP處理后可獲得更佳的光學(xué)質(zhì)量。2009年德國(guó)Schott AG公司以TiO2為燒結(jié)助劑,采用真空燒結(jié)結(jié)合HIP技術(shù)制備了YSZ透明陶瓷并對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行了表征,根據(jù)TiO2摻雜含量不同,陶瓷折射率在2.1到2.2之間,同時(shí)發(fā)現(xiàn)加入TiO2會(huì)使陶瓷樣品顏色變黃而且會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,在TiO2含量一定時(shí),通過(guò)增加Y2O3含量可以有效降低樣品中心的雙折射效應(yīng)。
YSZ陶瓷物實(shí)物照片和透過(guò)率曲線
為了獲得細(xì)晶粒的YSZ透明陶瓷,2010年日本材料科學(xué)研究所的Zhang等以商業(yè)8YSZ粉體為原料,采用SPS燒結(jié)方式制備了8YSZ透明陶瓷,陶瓷晶粒尺寸為納米級(jí),并探究了SPS工藝條件對(duì)材料性能的影響,發(fā)現(xiàn)YSZ陶瓷透過(guò)率隨保溫時(shí)間和溫度升高而降低,原因是在還原氣氛燒結(jié)過(guò)程中形成了氧空位。2011年Zhang等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)氧空位和殘余氣孔是導(dǎo)致8YSZ透明陶瓷光學(xué)質(zhì)量不佳的主要原因,而氧化氣氛退火處理可以減少氧空位從而提升陶瓷的光學(xué)質(zhì)量。
2018年,日本東曹公司的Watanabe等以日本東曹商業(yè)8YSZ粉體為原料,研究了預(yù)燒過(guò)程中升溫速率和保溫時(shí)間對(duì)HIP后陶瓷的晶粒尺寸和光學(xué)質(zhì)量的影響,1.0mm厚的8YSZ透明陶瓷在550nm處的直線透過(guò)率達(dá)到65%,同時(shí)抗彎強(qiáng)度達(dá)到454MPa。2019年,魯汶大學(xué)的Dash等以日本東曹商業(yè)8YSZ和3YSZ兩種粉體為原料,通過(guò)SPS結(jié)合HIP后處理制備了細(xì)晶粒的復(fù)相YSZ透明陶瓷,研究了8YSZ和3YSZ的不同含量對(duì)陶瓷微觀結(jié)構(gòu)、斷裂韌性和可見(jiàn)及紅外波段透過(guò)率的影響,隨著3YSZ含量的增加,YSZ復(fù)相透明陶瓷的斷裂韌性在1.25-3.0MPa·m1/2之間線性變化,但1.0mm厚的陶瓷在可見(jiàn)光范圍(400-800nm)的總透過(guò)率低于60%。
國(guó)內(nèi)方面
目前,我國(guó)在透明陶瓷領(lǐng)域的研究還相對(duì)落后,上海硅酸鹽研究所在該領(lǐng)域的貢獻(xiàn)較大,東北大學(xué)、南昌航空大學(xué)、天津大學(xué)、上海大學(xué)等單位也逐漸在該領(lǐng)域開(kāi)展了一系列研究工作。2011年LiwenLei等人通過(guò)甘氨酸-硝酸鹽法并經(jīng)高能球磨制備出了高燒結(jié)活性的納米立方氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(ZrO2-8mol%Y2O3)粉末,通過(guò)使用SPS在1200-1350℃持續(xù)燒結(jié)5分鐘,制備出了立方氧化鋯透明陶瓷,但在可見(jiàn)光范圍內(nèi)透光率較低。ZhangHB等用高壓SPS在1000-1200℃制備出了半透明的立方氧化鋯陶瓷,樣品的直線透光率主要受色心的影響。天津大學(xué)余芬采用空氣氣氛燒結(jié)制備出來(lái)氧化鋯透明陶瓷透光率只有10%左右。近年來(lái),透明陶瓷研究中心李江研究員團(tuán)隊(duì)深入開(kāi)展了氧化鋯透明陶瓷的研究工作,并取得了系列研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)以商業(yè)8YSZ粉體為原料,系統(tǒng)研究了預(yù)燒溫度對(duì)陶瓷內(nèi)部氣孔和晶粒尺寸的影響,結(jié)合熱等靜壓燒結(jié)制備出了兼具光學(xué)透過(guò)率和力學(xué)性能的氧化鋯透明陶瓷。隨著熱等靜壓燒結(jié)的溫度從1350℃升高至1550℃,陶瓷在800nm處的直線透過(guò)率從65.3%升高至74.2%,平均晶粒尺寸從2.4μm增大至16.3μm,抗彎強(qiáng)度從328±20MPa降低至289±19MPa。
參考來(lái)源:
[1]王倩.著色離子摻雜釔穩(wěn)定氧化鋯透明陶瓷的制備與性能研究
[2]陳鵬輝.釔穩(wěn)定氧化鋯透明陶瓷的制備與性能研究
[3]羅軍明.ZrO2基透明陶瓷的制備及其發(fā)光性能研究
[4]中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川)
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