论文部分内容阅读
氧化钇(Y2O3)透明陶瓷因较宽的光谱透过范围、适中的力学性能、较好的抗热振损伤性能和极低的高温辐射率等独特优点，成为高超音速中红外窗口/整流罩的候选。本论文分别以La2O3、 ZrO2、 TiO2为烧结助剂，采用真空烧结法和热等静压烧结法(HIP)，制备出高光学质量的Y2O3透明陶瓷。研究了陶瓷制备过程中各工艺参数（如掺杂剂成分、掺杂剂含量、球磨时间、粉体预烧温度、陶瓷烧结温度、陶瓷真空预烧温度等）对Y2O3透明陶瓷的晶粒形貌、烧结致密化过程、光学性能、热学性能和力学性能等的影响;研究了制备过程中遇到的特殊现象（如掺杂La2O3的Y2O3陶瓷裂纹的产生、掺杂ZrO2的Y2O3陶瓷真空烧结产生的棕黑色）、主要问题（裂纹的消除，陶瓷烧结温度较高、强度较低，高掺杂热导率低，放大化制备等）的分析与解决。随后生产出大尺寸的陶瓷并对陶瓷性能进行了表征。 创新点及重要成果如下: (1)选用La2O3的前驱体La(OH)3和La2O2CO3作为制备掺杂La3+的Y2O3透明陶瓷的烧结助剂，避免因La2O3在空气中吸水和CO2造成的重量增加和称量的不准确性。其烧结收缩致密化温度更低，在相同的烧结条件下，采用La(OH)3和La2O2CO3做烧结助剂的陶瓷光学特性更优异，在4μm的透过率高达82.72％和83.34％。 (2)制备较大尺寸的La3+掺杂Y2O3透明陶瓷，在较低的粉体预烧温度下产生了不穿透裂纹。其原因是低温预烧时La2O3与Y2O3未完全固溶，会吸收水和CO2形成的La(OH)3和La2O2CO3，在后期烧结过程分解引起的体积收缩和La2O3与Y2O3进行固溶反应造成的体积膨胀的共同作用产生了裂纹。 (3)真空烧结法制备La3+掺杂Y2O3透明陶瓷，其优化的制备条件为:粉体在1200℃预烧2h，La3+的最佳掺杂量为6.00at％，烧结温度为1800℃;陶瓷在空气中退火，退火温度为1000℃。真空烧结法制备ZrO2掺杂Y2O3透明陶瓷，其优化的制备条件为:粉体球磨36h，ZrO2的最佳掺杂量为5.00at％，烧结温度为1850℃;陶瓷在空气中退火，退火温度为800℃。 (4)真空烧结法制备的ZrO2掺杂Y2O3陶瓷为棕黑色的根源是Zr3+和Vo+缺陷。Zr3+缺陷位于导带底部，Vo+缺陷位于价带项部，它们使掺杂ZrO2的Y2O3的带隙由4.70eV降低到2.72eV，对应的光波波长为456nm，位于蓝光范围内(400-480nm)，陶瓷显示的颜色为蓝光的互补色红棕色。色坐标为(0.4180，0.4119)，位于CIE色品图的棕色区，带隙内光子从Vo+缺陷能级到Zr3+缺陷能级跃迁。 (5)比较了真空制备的掺杂6.00at％La2O3和5.00at％ZrO2的Y2O3透明陶瓷性能。结果发现，掺杂La2O3的Y2O3陶瓷红外截止波长为8.30μm，大于掺杂ZrO2的Y2O3陶瓷的7.80μm;两者的热膨胀系数和热导率接近，后者的软化点更高;掺杂ZrO2的Y2O3陶瓷抗弯强度和维氏硬度都高于掺杂La2O3的Y2O3陶瓷，分别为167MPa/133MPa，8.50GPa/7.51 GPa;掺杂ZrO2的Y2O3陶瓷的折射率也相对较高。 (6)用热等静压法制备ZrO2掺杂Y2O3透明陶瓷，最佳的ZrO2掺杂浓度为0.50at％，真空预烧温度为1650-1750℃。掺杂浓度过低，陶瓷晶粒内有气孔，晶粒大，透过率随预烧温度升高而降低;掺杂浓度过高，短波透过率随着预烧温度的升高而降低。陶瓷的维氏硬度随着掺杂浓度的升高而升高，热导率随掺杂浓度的升高降低幅度较大，但在0.50at％时维氏硬度和室温热导率保持在8.42GPa和10.90W/(m·K)。 (7)以TiO2为烧结助剂，用热等静压法制备Y2O3透明陶瓷，TiO2的添加量可低至0.04wt％。优化的烧结条件为:真空预烧1500℃×5h，热等静压1500℃×3h，TiO2掺杂量为0.16wt％。掺杂TiO2的Y2O3比掺杂ZrO2的Y2O3预烧和烧结温度低约200℃，热导率与未掺杂样品接近。 (8)用改性的振动造粒法过筛粉体，设备尺寸小，无污染，损耗低;粉体制备工艺简单，效率高;获得粉体为微米级颗粒，粉体流动性好，休止角小(34.09°)，表观密度和振实密度比人工过筛粉体分别增大50.54％和32.07％;采用热等静压烧结陶瓷在2μm波长透过率在82％以上。 (9)本实验制备的透明陶瓷，目前最大尺寸为ψ100mm，陶瓷最大强度为217MPa;掺杂La2O3的Y2O3陶瓷热障温度达364℃;400℃高温下透过率不降低，截止波长有较小蓝移;300℃高温辐射率较低。