尖晶石型AlON透明陶瓷的結構與性能

1、尖晶石型AlON透明陶瓷的結構與性能姓名：盧剛 班級：材研1005 學號：104972100244摘要：尖品石型氮氧化鋁(AlON)是A12O3-A1N體系的一個重要的單相、穩(wěn)定的 的固溶體陶瓷，它以其獨特的性能成為頗具潛力的新材料。A1ON陶瓷具有優(yōu)良 的光學、物理、機械和化學性質，特別是它所具有的各向同性，高溫燒結可制成 透明陶瓷，因而是耐高溫紅外窗和罩的優(yōu)選材料。本文介紹了 A1ON陶瓷的研究進展、組成與結構、以及A1ON陶瓷的相關性能。關鍵詞：氮氧化鋁；透明陶瓷；尖品石型；研究進展；組成與結構；性能Abstract : The spinel aluminum oxynitride (A

2、lON) is an important single-phase ,stable solid solution ceramic of A12O3-AlN system, and has become a quite potential new material with unique performances . there are some excellent optical ,physical, mechanical and chemical properties of AlON ceramics, in particular which can be sintered into the

3、 transparent one for its isotropy, it is the optimum material for the infrared windows and covers to resist high temperature.In this paper, the research progress、composition structure and the properties of AlON ceramics are introduced.Key words: aluminum oxynitride transparent ceramics spinel resear

4、ch progress composition structure properties1透明AlON陶瓷的研究進展尖品石型氮氧化鋁(A1ON)是A1203-A1N體系的一個重要的單相、穩(wěn)定的的固 溶體陶瓷，氮氧化鋁的諸多特點決定了它是制備透明陶瓷難得的材料。它為立方 尖品石品體結構，空間群為Fd3m，點群為m3m，即A1ON具有各向同性的光學性 能；A1ON具有很高的強度(380Mpa)和硬度(1950kg / mm2)；它的透光范圍寬，從 紫外區(qū)的0.2um 一直到紅外區(qū)的6.0um處，此外，作為多晶陶瓷，它比單晶藍寶 石更容易制得大尺寸部件，而且用傳統(tǒng)的陶瓷制備技術就可以制得形狀復雜的透

5、 明部件，這大大降低了成本。因此A1ON在透明裝甲和許多光學領域是非常有用 的材料。大炮彈膛的窗口要承受激光能，A1ON也可用在大口徑大炮的點火裝置。由于它具有優(yōu)良的光學、力學和化學性能，因而成為頗具潛力的新型材料。 另外，A1ON具有良好的耐高溫性、熱震穩(wěn)定性和抗侵蝕性能，因而可作為一種 理想的耐火材料；高純、致密的AlON陶瓷具有透光性，且由于其具有光學各向 同性，在0.20.6um光波波段最高理論透過率可達80%以上，所以AlON透明 陶瓷是耐高溫紅外窗口和頭罩的優(yōu)選材料.Yamaguchi于1946年首次證實似Y -AlON是溫度高于1000時能穩(wěn)定存在的一種尖品石型AlON。從Ymn

6、aguclfi等 人發(fā)現(xiàn)并證實尖品石型AlON存在至今，還未能精確地確定尖品石型AlON(Y -AlON)的固溶區(qū)范圍，但所有研究者一致認為其固溶區(qū)內并不包括一般公認的典 型尖品石結構組成的AION即A1O N(A1 0 -AlN)。3 32 3AlON陶瓷的組成與結構迄今為止，從Mccaule修正的Le. jus于1964年繪制的AlN-A1203假二元系 相圖中可以看出，AlN-A1203二元系中有多種氮氧化鋁相存在。根據(jù)其晶體結構， 這些相大致可被劃分為兩組：一組屬纖維鋅礦結構(Wurrtzite structure)，另 一組屬尖品石結構(Spinel structure) o Mcc

7、auley從品體化學角度，分析了尖 品石型氮氧化鋁的品體結構和相應組成。a -AlON和中-AlON是摩爾組成分別為 35.7%AlN和16.7%AlN的兩種理想尖品石型氮氧化鋁。實際上，在AlN-A1203 系統(tǒng)內氮氧化鋁存在一個較寬的固溶區(qū)，其摩爾組成在25%AlN周圍區(qū)域內，但 不同研究者報道的組成范圍不同，一般稱這種尖品石型氮氧化鋁為Y -AlON。 Corbin等人發(fā)現(xiàn)Y -AlON經氧化后組成雖發(fā)生變化，但仍保持尖品石型結構，后 稱Y，-AlON。-AlON是另一種尖品石型氮氧化鋁，其摩爾組成范圍在4%12% AlN，表中給出了一種組成的。-AlON。中-AlON是Michel發(fā)現(xiàn)

8、的單斜系氮氧化 鋁。在AlN-A1203二元系統(tǒng)中，尖品石型丫一氮氧化鋁(Y -AlON)是唯一一種潛在 的具有廣泛應用前景的氮氧化鋁材料。AlON陶瓷的性能AlON陶瓷的抗氧化性能AlON的抗氧化性實驗表明：無論使用原始粉料還是燒結試樣，都在870C時 開始氧化，粉料在1300C溫度時完全氧化，而燒結試樣在l500C下保溫2h之后， 氧化沒有結束，在10h后結束。觀察發(fā)現(xiàn)，燒結試樣嚴重破壞，且發(fā)生了剝落和 裂紋。前者的原因是發(fā)生了反應AlON+0 一 A1 0+N。AlON顆粒發(fā)生剝落(因而在高溫下AlON只能隔絕氧使用)； 22 32后者的原因是從立方晶格型AlON轉變成三角形剛玉結構的過

9、程中，由于試樣內 部溫度梯度大，品格擇優(yōu)取向引起熱膨脹的各向異性，在冷卻時產生應力，導致 剝落和裂紋。Stockholm大學的鄭捷等研究了 AlON粉末（13um）的氧化行為：在大氣中， 低于600時AlON是穩(wěn)定的。在1200C時只需幾個小時即可完全氧化，而在中 間溫度的大氣和氧氣中，其成分一時間曲線呈“、”形，并認為其氧化行為是從 生核開始的，有明顯的孕育期。在充有氬氣的實驗環(huán)境下，將AlON致密試樣在 1 550C的環(huán)境中4h的熱處理，試樣的質量沒有發(fā)生變化，XRD分析也證明其相 組成沒有發(fā)生變化。在試驗溫度范圍內，AlON在氬氣保護下是穩(wěn)定的，不發(fā)生 熱分解。AlON陶瓷的熱穩(wěn)定性對于

10、尖品石型氮氧化鋁的熱穩(wěn)定性存在兩種不同的觀點，Dorner認為AlON 為不一致熔融化合物，熔點溫度為2000C，在1600C以下分解為AlN和A1203, 而Kaufman認為該氮氧化鋁為一致熔融化合物，熔點溫度1940C，并可以穩(wěn)定 全室溫，且Kaufman的熱力學計算結果與其實驗數(shù)據(jù)比較相符。近來，Zych E等人在中性氣氛和還原氣氛中系統(tǒng)地研究了尖品型A10N相的 熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)尖品石型AlON相僅在1640C以上穩(wěn)定存在，低于此溫度時不穩(wěn) 定，分解為AlN和A1203。李亞偉、李楠等人也發(fā)現(xiàn)，通過反應燒結氮化鋁和氧 化鋁也很難在1650C以下合成AlON，而在碳熱還原過程中AlON相

11、卻能在低于 1650C下出現(xiàn)，但也有高于此溫度發(fā)現(xiàn)AlON相的報道，引用Kaufman的熱力學 數(shù)據(jù)計算后發(fā)現(xiàn)，在任何溫度下，AlON相的穩(wěn)定相區(qū)，相對于其它凝聚相相區(qū) 均比較窄小，受其周圍氣氛的影響，很容易轉變成相鄰的凝聚相，這可能是很多 研究者在碳熱還原法合成氮化鋁過程中的，不同溫度區(qū)間發(fā)現(xiàn)AlON相存在的主 要原因。AlON陶瓷的硬度采用維式金剛鉆在室溫下對試樣進行硬度測量，5N的試驗負荷下，其硬度 分別為10.6GPa及14.1GPa。與壓入法硬度試驗（壓痕）相比，在一定試驗載荷下， 兩者都會產生裂紋（這將導致較低的裂紋韌性），但前者的裂紋韌性較低。如果使 用較純的粉料，則有望提高其硬

12、度。4結束語尖品石型氮氧化鋁（AlON）是A1203-AlN體系的一個重要的單相、穩(wěn)定的的固 溶體陶瓷，氮氧化鋁的諸多特點決定了它是制備透明陶瓷難得的材料。由于它具 有優(yōu)良的光學、力學和化學性能，因而成為頗具潛力的新型材料。另外，AlON 具有良好的耐高溫性、熱震穩(wěn)定性和抗侵蝕性能，因而可作為一種理想的耐火材 料；高純、致密的AlON陶瓷具有透光性，且由于其具有光學各向同性，在0.2 0.6um光波波段最高理論透過率可達80%以上，所以AlON透明陶瓷是耐高溫紅 外窗口和頭罩的優(yōu)選材料。AlON陶瓷有很好的抗氧化性能、熱穩(wěn)定性能以及其 它一些優(yōu)良性能。5參考文獻雷鳴，張禮杰，王英偉，等.透明陶

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