尖晶石基透明陶瓷的制備及其光學(xué)、微波介電性能的研究.pdf

1、為拓寬透明陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域，獲得能透過(guò)可見光、紅外光以及微波頻段電磁場(chǎng)的全波段透明窗口材料，選擇具有尖晶石結(jié)構(gòu)的MgAl2O4，Mg1-xZnxAl2O4和ZnAl2O4材料作為研究對(duì)象。利用 X射線衍射(XRD)、熱重-差熱分析(TG-DTA)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線能譜(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)、正電子湮滅壽命譜(PALS)、紫外可見吸收光譜(Uv-Vis)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)和網(wǎng)絡(luò)分

2、析儀等測(cè)試手段系統(tǒng)地研究了原材料合成工藝及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探索了放電等離子燒結(jié)工藝條件及退火工藝等對(duì)陶瓷相成分、微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和微波介電性能的影響規(guī)律，主要研究?jī)?nèi)容有：
　　首先采用微乳法、水熱法和高溫焙燒法研究了制備符合透明陶瓷要求的MgAl2O4納米粉體的最優(yōu)工藝條件。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的固相反應(yīng)燒結(jié)相比，微乳法顯著降低了MgAl2O4粉體的煅燒溫度，粉體的形貌和粒徑受到表面活性劑和滴定方式的影響，用SPAN-80/Triton

3、 X-100作為復(fù)合乳化劑時(shí)，采用正向滴定法制備的MgAl2O4納米微粒為球形，尺寸分布窄，粒徑尺寸為2~3μm，粉體存在嚴(yán)重的團(tuán)聚，而反向滴定法難以控制粉體的形貌；水熱法粉體的相組成、形貌和粒徑受形貌控制劑的影響，采用油酸作形貌控制劑時(shí)，粉體為單一的MgAl2O4尖晶石相，形貌為海膽狀，粒徑大小比較均勻，平均粒徑約為4μm。工藝簡(jiǎn)單的高溫焙燒法制備的MgAl2O4粉體形貌呈橢球狀，平均粒徑約為45nm，具有良好的分散性，粒徑分布窄，滿

4、足透明陶瓷的燒結(jié)要求。
　　分別以上述三種粉體為原料，采用放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)制備MgAl2O4陶瓷，其中只有高溫焙燒法制備的粉體能夠獲得高品質(zhì)MgAl2O4透明陶瓷。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了燒結(jié)溫度、升溫速率、燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)壓力等對(duì)MgAl2O4透明陶瓷微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和微波介電性能的影響，并且確定了最佳燒結(jié)工藝。結(jié)果表明，當(dāng)升溫速率為10℃/min，燒結(jié)時(shí)間為20分鐘，燒結(jié)壓力80MPa，燒結(jié)溫度為1275℃時(shí)，Mg

5、Al2O4透明陶瓷在可見光波段550nm處的直線透過(guò)率(Tin,550nm)為70％，紅外波段2000nm處的直線透過(guò)率(Tin,2000nm)為82％，微波介電性能為：εr=8.42、Q×f=20,000GHz、τf=-76 ppm/℃。而燒結(jié)溫度為1325℃時(shí)，能獲得最佳的微波介電性能為：εr=8.38、Q×f=54,000 GHz、τf=-74 ppm/℃。
　　對(duì)SPS制備的MgAl2O4透明陶瓷進(jìn)行退火處理，研究了退火溫

6、度對(duì)透明陶瓷內(nèi)微量碳和氧空位濃度變化的影響，并進(jìn)一步討論了退火對(duì)MgAl2O4透明陶瓷光學(xué)和微波介電性能的影響。結(jié)果表明，隨退火溫度由800℃升高至1300℃，MgAl2O4透明陶瓷內(nèi)的碳濃度隨之降低，氧空位發(fā)生合并，其相對(duì)濃度下降，但缺陷體積增大。隨退火溫度的升高，Tin,550nm呈先增大后減小的趨勢(shì)，900℃是MgAl2O4透明陶瓷光學(xué)性能的臨界退火溫度，900℃退火后Tin,550nm為74.9％。退火后Q×f值均有所增加，在退

7、火溫度為1200℃時(shí)達(dá)到最大值52,640GHz。介電常數(shù)（εr）隨退火溫度的升高略有減小，其值由未退火的8.27降為8.06。
　　采用高溫焙燒法制備了(Mg1-xZnx)Al2O4納米粉體，并燒結(jié)得到(Mg1-xZnx)Al2O4透明陶瓷。研究了Zn2+含量對(duì)MgAl2O4透明陶瓷光學(xué)性能和微波介電性能的影響。結(jié)果表明，隨Zn2+含量由0.5at％增至3.0at％，(Mg1-xZnx)Al2O4透明陶瓷在550nm波長(zhǎng)處的直線

8、透過(guò)率先增加后減小，Zn2+含量為2.0at％時(shí)，Tin,550nm為70％。適量Zn2+的引入，在保證MgAl2O4透明陶瓷具有良好光學(xué)性能的同時(shí)，改善了MgAl2O4透明陶瓷的微波介電性能：當(dāng)Zn2+含量為2.0at％時(shí)，介電常數(shù)εr為8.49，Q×f值為66,000GHz，τf為-65.5ppm/℃。
　　采用高溫焙燒法制備了ZnAl2O4納米粉體，并首次采用 SPS技術(shù)燒結(jié)得到ZnAl2O4透明陶瓷。探討了SPS燒結(jié)溫度變

9、化及助劑正硅酸乙酯(TEOS)的含量對(duì)ZnAl2O4透明陶瓷光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨燒結(jié)溫度的升高，ZnAl2O4陶瓷在可見波段550nm處的直線透過(guò)率呈先增大后減小的趨勢(shì)，1260℃時(shí)的Tin,550nm最高僅為23％。添加0.5wt％的TEOS后，顯著提高了ZnAl2O4陶瓷的直線透過(guò)率，1250℃、1260℃和1270℃的Tin,550nm分別為60％、64％和47％，1250℃和1260℃的燒結(jié)試樣在2500nm處的直線透過(guò)