Cases
【應(yīng)用案例】超快速高溫?zé)Y(jié)兩步法制備高透明AlON陶瓷的新策略
2025-12-19
https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221182
大連海事大學(xué)單英春教授團(tuán)隊(duì)在期刊《Journal of Advanced Ceramics》上發(fā)表了題為“A novel two-step sintering strategy for highly transparent AlON ceramics by combination of ultra-fast high-temperature sintering followed by conventional sintering”的論文。研究中通過(guò)超快速高溫?zé)Y(jié)和常規(guī)燒結(jié)方法相結(jié)合，兩步法成功制備出了在350-4900nm寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率≥80%的高透明AlON陶瓷。
研究背景
研究方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.?核心燒結(jié)策略
提出“超快速高溫?zé)Y(jié)(UHS)+常規(guī)燒結(jié)(CS)”兩步法：先6000℃/min的超快升溫速率加熱至1850℃保溫2分鐘（UHS階段），再以50℃/min升溫至1880℃保溫120分鐘（CS階段）。
2.?對(duì)照組設(shè)計(jì)
設(shè)置純UHS組（1850℃保溫2分鐘）和純CS組（1880℃保溫120分鐘），對(duì)比三組樣品的相對(duì)密度、孔隙特征、晶粒尺寸、透光率及硬度等性能。
3.?原料與表征
原料：采用碳熱還原氮化法自制單相AlON粉體，摻雜0.15wt%納米Y?O?（平均粒徑30.44nm）作為燒結(jié)助劑；
表征手段：X射線衍射（XRD）、激光粒度分析、掃描電子顯微鏡（SEM）、拉曼光譜、金相顯微鏡、阿基米德法、分光光度計(jì)/紅外光譜儀（透光率測(cè)試）、維氏硬度計(jì)。
核心研究結(jié)果
1.光學(xué)性能
兩步法樣品在350-4900nm寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)透光率≥80%，400nm處透光率80.71%，3750nm處達(dá)最大值84.73%，顯著優(yōu)于純CS組（400nm處僅58.82%）（圖4）；
2.微觀結(jié)構(gòu)特征
相對(duì)密度：UHS階段后達(dá)97.43%，經(jīng)CS后提升至99.71%，高于純CS組的99.30%（圖6、表1）；
孔隙特征：兩步法樣品孔隙尺寸僅0.11-0.37μm，且數(shù)量少、分布均勻，而純CS組孔隙尺寸為0.45-2.40μm（圖6、表1）；
晶粒尺寸：兩步法樣品平均晶粒尺寸47.06μm，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)報(bào)道的100-200μm，且粒度分布更均勻（圖7、圖9）。
3.力學(xué)性能
維氏硬度高達(dá)19.57±0.23GPa，高于純CS組（16.69±0.43GPa）及文獻(xiàn)報(bào)道的同類(lèi)無(wú)壓燒結(jié)AlON陶瓷（圖10、表11）。
4.兩步法致密化機(jī)制
UHS的關(guān)鍵作用：超快升溫速率抑制AlON低溫分解（圖11）和微觀結(jié)構(gòu)粗化（圖12），形成高致密度、細(xì)晶粒（多數(shù)≤8μm）及非平衡晶界的預(yù)燒體，非平衡晶界降低晶界擴(kuò)散激活能，為后續(xù)快速致密化奠定基礎(chǔ)；
CS的補(bǔ)充作用：短時(shí)間保溫即可消除UHS預(yù)燒體中的殘留孔隙，實(shí)現(xiàn)完全致密化，同時(shí)避免晶粒過(guò)度生長(zhǎng)。
研究意義及價(jià)值
1.技術(shù)突破：解決了傳統(tǒng)燒結(jié)“長(zhǎng)時(shí)保溫-晶粒粗化-性能下降”的惡性循環(huán)，將高透明AlON陶瓷的總燒結(jié)時(shí)間從傳統(tǒng)的2.5-30小時(shí)縮短至122分鐘，大幅降低能耗與成本；
2.性能優(yōu)勢(shì)：制備的AlON陶瓷兼具寬波段高透光性和高硬度，且工藝適用于大規(guī)模、復(fù)雜形狀構(gòu)件制備，具備實(shí)際應(yīng)用潛力；
3.科學(xué)價(jià)值：闡明了UHS誘導(dǎo)非平衡晶界調(diào)控致密化與晶粒生長(zhǎng)的協(xié)同機(jī)制，為透明陶瓷的高效制備提供了新范式。
設(shè)備介紹
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