AlON透明陶瓷的制备与性能_田庭燕.pdf

AlON 透明陶瓷的制备与性能 田庭燕1,2戴杜洪兵1,2戴姜华伟1,2戴孙 峰1戴陈广乐1戴张 微1戴吕 科1戴彭珍珍1(1.北京中材人工晶体研究院有限公司，北京 100018；2.北京光电材料及器件研发基地，北京 101111)摘 要：以碳热还原法制得的氮氧化铝(aluminum oxynitride，Al23O18N5，AlON)粉体为原料，Y2O3为烧结助剂，采用热压烧结法在 1 8501 950 和1525 MPa 下制备了 AlON 透明陶瓷。通过 X 射线衍射、扫描电子显微镜和红外光谱仪分析了 AlON 陶瓷样品的相组成、显微形貌和红外透过率。结果表明：所制备的 AlON 透明陶瓷样品未发现杂质相，且晶界处未见明显的玻璃相，晶粒间为直接结合。AlON 陶瓷样品的体积密度为 3.69 g/cm3，约为其理论体积密度的 99.5%，弯曲强度为 304 MPa，断裂韧性为 2.14 MPam1/2；3 mm 厚透明陶瓷样品的红外透过率达 81.3%。而气孔、晶界和第二相杂质等是影响 AlON 陶瓷透明度的主要因素。关键词：氮氧化铝；热压烧结；透明陶瓷 中图分类号：TQ174 文献标志码：A 文章编号：04545648(2010)08145504 PREPARATION AND PROPERTIES OF AlON TRANSPARENT CERAMICS TIAN Tingyan1,2，DU Hongbing1,2，JIANG Huawei1,2，SUN Feng1，CHEN Guangle1，ZHANG Wei1，L Ke1，PENG Zhenzhen1(1.Beijing Sinoma Synthetic Crystals Co.,Ltd,Beijing 100018;2.Beijing Optoelectronic Materials and Devices R&D Base,Beijing 101111,China)Abstract:The transparent aluminum oxynitride(Al23O18N5,AlON)ceramics were prepared by hot-press sintering in nitrogen atmos-phere at 1 8501 950 and 1525 MPa,using carbothermal reduction synthesized AlON powder as raw material and Y2O3 as sinter-ing additive.The phase composition,morphology and infrared(IR)transmittance of the AlON samples were analyzed by X-ray dif-fraction,scanning electron microscope and Fourier transform infrared spectroscopy.The results show that there are no impurity phase in AlON ceramic samples,and no obvious glass phase at the grain boundary of crystal grains since the crystal grains are bound di-rectly.The density of AlON is 3.69 g/cm3,about 99.5%of its theoretical density.The bending strength and the fracture toughness of AlON ceramic are 304 MPa and 2.14 MPam1/2,respectively.The IR transmittance of the transparent ceramic sample with 3 mm in thickness is 81.3%.The pores,grain boundaries and second phase in AlON ceramic are the main factors influencing the transmittance of AlON ceramics.Key words:aluminum oxynitride;hot-press sintering;transparent ceramics 上世纪80年代，美国Raytheon公司在军方资助下对新一代透明陶瓷氮氧化铝(Al23O15N5，AlON)进行了深入研究。2002年，Raytheon公司将制备AlON透明陶瓷的全套技术转让给Surmet公司，开始了AlON透明陶瓷的商业化生产，并进一步提高了AlON透明陶瓷的质量。AlON陶瓷具有良好的耐高温性、热震稳定性和抗侵蚀性能，成为一种理想的高温结构陶瓷和耐火材料。1 同时AlON陶瓷具有优良的光学性能，因而是耐高温红外窗口和头罩材料的优选材料。23 AlON透明陶瓷的制备方法主要有：热压烧结、4 真空烧结、5 常压烧结以及各种气氛烧结68和微波烧结法9等。AlON很难烧结达到完全致密，需加入一定烧结助剂通过液相烧结，而且在合成AlON粉体过程中可能残留杂质碳，会增加AlON透明烧结体制备的难度。目前国内对AlON透明陶瓷的制备报道较少。鉴于此，采用热压烧结法制备了AlON透明陶瓷，对AlON粉体及其热压烧结体的特性进行了表征，并检测了透明陶瓷的微观结构和透光性能。收稿日期：20100206。修改稿收到日期：20100317。第一作者：田庭燕(1981)，女，硕士，工程师。Received date:20100206.Approved date:20100317.First author:TIAN Tingyan(1981),female,master,engineer.E-mail: 第 38 卷第 8 期 2010 年 8 月 硅 酸 盐 学 报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.38，No.8 August，2010 硅 酸 盐 学 报 1456 2010 年 1 实 验 1.1 样品制备 实验所用-AlON粉为本实验室以-Al2O3和5.6%(质量分数，下同)活性碳为原料，采用碳热还原法于高纯氮气气氛中，在1 800 保温1 h制得，将-AlON粉与0.5%1.0%Y2O3烧结助剂混合，以无水乙醇为混合介质，高纯氧化铝球为研磨介质，在快速磨机中混合研磨5 min。将得到的料浆放入80 的真空干燥箱中干燥，造粒后过150 m筛。然后放入涂有BN的石墨模具中，在1 8501 950 和1525 MPa下烧结25 h，热压时炉内保持微正压，N2气氛。反应物在700800 空气中降碳2 h。1.2 性能测试 采用日本理学产D/MAX 2000型X射线衍射仪(X-ray diffractometer，XRD)分析样品的物相。用JSM5900型扫描电镜(scanning electron micro-scope，SEM)观察AlON粉料和透明陶瓷样品断面的微观结构。用日本Seishin公司产LMS30型激光粒度分析仪分析AlON粉料的粒度，以无水乙醇为分散介质。用美国Nicolet公司产Nexus 670型 Fourier转换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)测试样品的红外透过率。采用Achimedes排水法测定AlON样品的密度。用日本岛津公司产AGS10KNG型电子万能实验机，采用三点弯曲法测定样品的抗弯强度。用单边梁法测定样品的断裂韧性。2 结果与讨论 2.1 AlON 粉体的特性 图1为碳热还原法制得的AlON粉体的XRD谱。由图1可以看出：AlON相的特征峰值尖锐、特征线分布窄，表明合成AlON粉的结晶度和纯度高。另外，从图2的AlON粉体的SEM照片可以看出：AlON晶粒形貌清晰可辨，晶粒发育比较完善，呈等径粒状，粉体的分散性较好。图3为AlON粉体的粒度分布曲线。由图3可以看出：AlON粉料的中位粒径 D50为2.16 m，粒径分布相对较窄。制备AlON透明陶瓷的先决条件是要求AlON原料粉体具有高纯度、细颗粒、窄分布，并且性能稳定。10 以上分析可见，实验所用AlON粉体基本满足上述要求，可用于制备AlON透明陶瓷。图 1 AlON 粉体的 XRD 谱 Fig.1 X-ray diffraction(XRD)pattern of Al23O15N5(AlON)powder 图 2 AlON 粉体的 SEM 照片 Fig.2 Scanning electron microscope(SEM)photograph of AlON powder 图 3 AlON 粉体的粒度分布曲线 Fig.3 Grain size distribution curves of AlON powder 2.2 AlON 透明陶瓷的 XRD 分析 1 930 和16 MPa条件下热压可得到AlON陶瓷，粗磨后的AlON陶瓷用肉眼观察已是透明的，经细磨抛光后的样品照片如图4所示。由图4可见：田庭燕 等：AlON 透明陶瓷的制备与性能 1457 第 38 卷第 8 期 图 4 AlON 透明陶瓷照片 Fig.4 Picture of AlON transparent ceramic hot-press sintered Sample was prepared by hot-press at 1 930 and 16 MPa(the same below).透过AlON陶瓷可清晰看到纸上的字。图5为1 930 和16 MPa热压条件下得到的AlON透明陶瓷抛光表面的XRD谱。从图5可见：只有AlON的特征峰存在，未发现第二相物质，表明其为较纯净的AlON陶瓷。图 5 AlON 透明陶瓷样品的 XRD 谱 Fig.5 XRD pattern of AlON transparent ceramic 2.3 AlON 透明陶瓷的形貌分析 图6为1 930 和16 MPa下得到的AlON透明陶瓷断面SEM照片。从图6可以看出：显微结构均匀致密，平均晶粒尺寸为2050 m，晶粒为等轴状，且为直接结合，晶粒棱角尖锐，表明晶粒生长完善，晶界较干净，未发现明显的玻璃相。2.4 AlON 透明陶瓷的红外透过率 图7为3 mm厚的AlON透明陶瓷样品的红外透过率。从图7可以看出：其红外透过率达到了81.3%。由于AlON陶瓷为立方尖晶石结构，不存在 图 6 AlON 透明陶瓷的 SEM 照片 Fig.6 SEM photographs of cross section of AlON transparent ceramic 图 7 3 mm 厚 AlON 透明陶瓷 IR 透过率 Fig.7 Infrared(IR)transmittance of AlON transparent ceramic with 3 mm in thickness 双折射现象，影响其透过率的主要因素是对入射光的反射、散射和吸收，这和陶瓷材料中的气孔、晶界、杂质、缺陷等密切相关。当入射光透过AlON多晶陶瓷时，材料中的气孔和杂质相等对入射光的吸收或散射(见图8)，从而影响了陶瓷的透光性能。硅 酸 盐 学 报 1458 2010 年 图 8 AlON 陶瓷中的主要反射和散射示意图 Fig.8 Schematic diagram of the reflection and scattering in AlON ceramic 图9为透光性能较差的AlON多晶陶瓷中的气孔和杂质相。由图9可以看出：陶瓷中存在晶内气孔A和晶界气孔B(见图9a)，以及杂质相C(见图9b)，严重的影响了陶瓷的透光性能。可通过提高烧结温度和延长保温时间排除气孔；通过提高材料表 图 9 AlON 透明陶瓷中的气孔和杂质相 Fig.9 Pores and impurity phase of AlON transparent ceramic APores in grain;BPores in grain boundary;CImpurity phase.面光洁度，以减少光线入射到材料表面时发生的漫反射，从而提高材料的透明度。2.5 透明陶瓷力学性能 所制得的AlON透明样品的体积密度为3.69 g/cm3，约为其理论体积密度的99.5%，三点弯曲强度为304 MPa，断裂韧性为2.14(MPam1/2)。3 结 论(1)制备AlON透明陶瓷要求AlON粉料必须具备高纯度、细颗粒、窄分布，用碳热还原法制备的AlON粉基本可满足这一要求。(2)采用热压烧结法制备AlON透明陶瓷，其3 mm厚样品的红外透过率为81.3%，显微结构研究表明晶粒生长完善，晶界较干净，晶粒分布比较均匀。(3)影响AlON陶瓷透明度的主要因素是气孔、杂质、晶界等，可通过适当提高烧成温度、延长保温时间、增加样品表面光洁度等措施提高AlON陶瓷的透明性。参考文献：1 CORBIN N D.Aluminum oxynitride spinel J.J Eur Ceram Soc,1989,5(2):143154.2 HARTNETT T M.Optical properties of AlON J.Infrared Phys Tech-nol,1998,39:203205.3 HARRIS D C.Durable 35 m transmitting infrared window materials J.Infrared Phys Technol,1998,39:185201.4 王习东,李文超.热压合成 AlON 陶瓷的研究J.硅酸盐学报,2001,29(1):3134.WANG Xidong,LI Wenchao.J Chin Ceram Soc(in Chinese),2001,29(1):3134.5 PARIMAL J,GILDE Gary.Transient liquid phase reactive sintering of aluminum oxynitride(AlON)P.US Patent,7045091.20060516.6 裴新美.AlON 陶瓷的制备及性能J.武汉理工大学学报,2001,23(7):79.PEI Xinmei.J Wuhan Univ Technol(in Chinese),2001,23(7):79.7 MCCAULEY J W,CORBIN N D.High temperature reactions and microstructures in Al2O3AlN system C/In:RILEY F L ed.Progress in Nitrogen Ceramics.Boston:Martinus Nijhoff,1983:111118.8 GENTILMAN R,MAGUIRE E,KOHANE T,et al.Comparison of large AlON and sapphire windows J.Proc Int Soc Opt Eng,1989,1112:3139.9 CHENG Jiping,AGRAWAL D,ZHANG Yunjin,et al.Preparation of Al2O3AlON and Al2O3AlN composites via reactionbonding J.J Mater Sci Lett,2001,20:7779.10 施剑林.透明陶瓷M.上海:上海科学普及出版社,2008:56.SHI Jianlin.Transparence Ceramics(in Chinese).Shanghai:Shanghai Popular Sciences Press,2008:56.