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上硅所李江团队氧化锆透明陶瓷研究取得最新进展
2022年06月23日 发布 分类:技术前沿 点击量:37
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近日,中科院上硅所透明陶瓷研究中心李江研究员率领研究团队在氧化锆透明陶瓷研究方向取得系列进展。其中包括,以商业8YSZ(钇稳定氧化锆)粉体为原料,系统研究了预烧温度对陶瓷内部气孔和晶粒尺寸的影响,结合热等静压烧结制备出了兼具光学透过率和力学性能的氧化锆透明陶瓷;李江团队与江苏大学材料学院刘强教授合作开展了关于彩色氧化锆透明陶瓷的研究工作,并取得了研究进展。

上述成果分别发表于先进陶瓷期刊(Journal of Advanced Ceramics),论文地址:doi:10.1007/s40145-022-0602-6;无机材料学报(Journal of InorganicMaterials),论文地址:DOI:10.15541/jim20220025


(a)氧化锆陶瓷预烧体和(b)氧化锆透明陶瓷的SEM微观形貌,氧化锆透明陶瓷(厚度4.0mm)的(c)实物图和(d)直线透过率曲线

李江团队以商用8YSZ粉末为原料,通过空气预烧结和热等静压(HIP)制备了具有高光学和机械性能的细晶粒8mol%氧化钇稳定氧化锆(8YSZ)透明陶瓷。具有细晶粒和适当相对密度的预烧结陶瓷对于在较低温度下进行HIP后处理后实现高透明度和抑制晶粒尺寸起着关键作用。随着HIP温度从1350升高到1550℃,8YSZ陶瓷在600nm处的在线透射率从56.9%提高到71.5%(厚度2.5mm),平均晶粒尺寸从2.4提高到16.3μm。8YSZ透明陶瓷的相应抗弯强度从328±20降低到289±19MPa,硬度(H)从12.9±0.1降低到12.5±0.2GPa,断裂韧性(KIC)从1.30±0.02下降到1.26±0.03MPa·m1/2。进行了系统研究,研究了8YSZ陶瓷中高光学透明度和优异机械性能的结合。

同时,该团队以成本低、来源广的ZrOCl2·8H2O和Y(NO3)3为原料,NH3·H2O为沉淀剂,采用共沉淀法合成了Y0.16Zr0.84O1.92纳米粉体,并通过空气预烧结合热等静压烧结技术成功制备出了直线透过率达到65.3%@800nm的氧化锆透明陶瓷。该研究团队接着调控共沉淀工艺中滴定终点的pH值来优化纳米粉体的分散性和烧结活性,并将氧化锆透明陶瓷的光学透过率提升至67.8%@800nm。该团队又通过优化预烧温度来提高氧化锆透明陶瓷的光学透过率。结果表明,1300℃空气预烧结合热等静压烧结技术制备的氧化锆透明陶瓷具有更好的光学质量,其直线透过率达到72.4%@800nm

红色氧化锆透明陶瓷的实物图和直线透过率曲线

将稀土氧化物或过渡金属氧化物作为着色剂掺入陶瓷中,可以制备出颜色鲜艳、折射率高、理化性能稳定、力学性能优异和无毒等特性的彩色氧化锆透明陶瓷,克服了彩色氧化锆单晶极高的制备温度下着色剂严重挥发的难题。目前国内外对氧化锆透明陶瓷研究主要集中于无色或淡黄色上,因此对氧化锆透明陶瓷颜色研究以及开发具有重要科学意义和应用价值。该团队以商业8YSZ粉体和CeO2粉体为原料,采用固相混合着色法结合两步烧结技术制备了直线透过率为70.7%@700nm,红色度a*为57.1的彩色氧化锆透明陶瓷。该红色氧化锆透明陶瓷制备技术可有效避免着色剂的挥发。为提高红色陶瓷的着色均匀性,研究团队采用共沉淀法合成了均匀掺杂的Ce:8YSZ纳米粉体,并通过两步烧结技术制备了直线透过率为47.6%@700nm,红色度为52.0的氧化锆透明陶瓷。该类红色氧化锆透明陶瓷的成功制备,可以拓宽氧化锆陶瓷在滤光片、信号灯罩等领域的应用。


参考来源:上硅所

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