固相反應法無壓燒結制備氮氧化鋁的研究

2022-10-08 11:25:08張弘毅武振飛陸麗芳

江蘇陶瓷 2022年4期

張弘毅武振飛陸麗芳

(江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興 214221）

氮氧化鋁(ALON)是一種具有高強度、高硬度、耐腐蝕的透明陶瓷，其硬度能達到1 800 kg/cm左右，是石英玻璃的4倍，是藍寶石的85%；同時氮氧化鋁在可見光至中紅外具有高光學透過性能，它最大的優點是具有光學各向同性，為目前被廣泛應用的紅外透明材料。同時，其突出的抗侵蝕性、熱震穩定性和光學性能使氮氧化鋁可以用于耐高溫紅外窗口和頭罩的生產。目前，國外的Surmet公司已經可以生產包括超半球型和半球形圓頂在內的各種形狀的氮氧化鋁陶瓷。2019年7月，Surmet公司產出了8平方英尺（約0.74平方米）的氮氧化鋁視窗。

氮氧化鋁陶瓷制備可以采用一步法和兩步法兩種方法，一步法是將原料粉末混合均勻后經成型、燒結直接制備氮氧化鋁陶瓷，而兩步法需要先使用原料制備出性能優異的氮氧化鋁粉體，然后經成型燒結制備陶瓷。本文實驗采用一步法通過高溫固相反應來制備氮氧化鋁陶瓷。

1 實驗

1.1 原料（見表1）

表1 原料

1.2 實驗過程

以氮化鋁粉、氧化鋁粉為原料，加入氧化鎂和氧化釔作為燒結助劑，以無水乙醇為球墨介質，球磨后烘干過篩得到氮氧化鋁粉體。粉體干壓成型后置于真空氮氣爐中常壓燒結，得到氮氧化鋁陶瓷試樣，將其置于UNIPOL—802拋光機上打磨拋光。

2 結果與討論

2.1 陶瓷表層和內部的物相組成

實驗中發現在氮氣氣氛下燒成后，陶瓷均被一層灰白色或灰黑色的表皮包裹，并且部分表皮破碎并散落在石墨坩堝中。對陶瓷表層和內部分別進行XRD檢測，如圖1、2所示，從圖1中可以看出陶瓷主要由AlON和碳物質構成，其中的碳元素主要是由于使用了石墨坩堝而引入的。如圖2所示，陶瓷表層由三種物質組成，分別為氮氧化鋁（Al0N）、氮化鋁以及碳，這說明陶瓷表層的氮氧化鋁被進一步氮化形成氮化鋁，而部分樣片表皮破碎并散落在石墨坩堝中，這是因為樣片在冷卻過程中各材料收縮不一致，導致表皮開裂剝落。

圖1 陶瓷內層XRD圖

圖2 陶瓷表層XRD圖

2.2 粉體配比對陶瓷致密化的影響

采用一步法將原料粉體混合后經成型、燒結得到氮氧化鋁陶瓷，這種方法降低了燒成成本和工藝復雜性，但卻對粉體的組成配比有一定的要求，實驗中對氮化鋁和氧化鋁的配比進行研究，從圖3中可以看出在氧化鋁含量為62.5 mol%時，陶瓷試樣中含有許多氣孔，陶瓷體積密度最低為3.45 g/cm。陶瓷的體積密度隨著氧化鋁含量的增高，在氧化鋁含量為78.75 mol%和80 mol%時樣片體積密度達到最高3.65 g/cm，同時陶瓷的氣孔率也達到了較低的水平。圖1即為氧化鋁含量80 mol%時在1 850 ℃保溫2 h的陶瓷XRD圖，從圖中也可以看出陶瓷中的氧化鋁和氮化鋁燒成后全部轉化為尖晶石型氮氧化鋁（Al0N）。因此，實驗中氮化鋁和氧化鋁的比例保持在1∶4較為恰當。

圖3 1 850 ℃氧化鋁含量對陶瓷體積密度和氣孔率的影響

2.3 燒成溫度對陶瓷致密化的影響

在陶瓷燒成中對 1 750 ℃、1 820 ℃、1 850 ℃、1 865 ℃以及1 880 ℃進行實驗。從圖4中可以看出，體積密度隨燒成溫度的上升而上升，在1 865 ℃和1 880 ℃時趨于平緩。當燒成溫度為1 750 ℃時，燒結程度較低，存在大量的氣孔；當燒成溫度為1 820 ℃時，樣片體積密度比1 750 ℃時有了明顯的提升，樣片致密度提高，氣孔數量大幅度減少；繼續提高燒成溫度，達到1 865 ℃和1 880 ℃時，陶瓷的體積密度進一步上升，氣孔率開始趨近于零，樣片達到致密程度。

圖4 燒成溫度對氮氧化鋁陶瓷致密化的影響

2.4 保溫時間對陶瓷微觀結構的影響

圖5（a）為1 880 ℃氮氣氣氛下保溫1 h后氮氧化鋁陶瓷的斷口形貌，從圖中可以看出有許多尺寸很大的氣孔分布在陶瓷晶粒內部以及晶界處，同時晶粒尺寸小。延長陶瓷在1 880 ℃的保溫時間，發現保溫2 h與4 h的陶瓷晶體晶面接觸緊密平直光滑，晶粒棱角尖銳，這說明晶粒生長完善，并且在長時間的保溫中許多氣孔被排除，陶瓷晶粒內部以及晶界處的氣孔數量大幅度減少，但卻仍有部分氣孔存在于晶粒之中沒有消除。