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上海硅酸鹽所在氧化鋯透明陶瓷研究方向取得系列進展
發布時間: 2022-06-21 21:10 | 【 【打印】【關閉】

  立方相氧化鋯在可見光波段的折射率接近2.2,遠高于傳統的光學玻璃和光學樹脂(1.5~1.8)。立方相氧化鋯可以用于制作光學鏡頭,迎合了如數碼相機和望遠鏡等現代光學器件的大視角和小型化的發展趨勢。但氧化鋯單晶的生長需要很高的溫度和較長的周期,其制備成本很高。隨著透明陶瓷技術的不斷發展,其在力學和光學等方面的優勢使其得到較多的關注,因此在相對較低的溫度下制備出氧化鋯透明陶瓷成為新的選擇。此外,氧化鋯透明陶瓷在可見光和中紅外波段具有良好的透過率,且耐磨損、耐酸堿腐蝕、耐雨水侵蝕,有望用作窗口材料。 

  近年來,透明陶瓷研究中心李江研究員團隊深入開展了氧化鋯透明陶瓷的研究工作,并取得了系列研究進展。該團隊以商業8YSZ(釔穩定氧化鋯)粉體為原料,系統研究了預燒溫度對陶瓷內部氣孔和晶粒尺寸的影響,結合熱等靜壓燒結制備出了兼具光學透過率和力學性能的氧化鋯透明陶瓷。隨著熱等靜壓燒結的溫度從1350oC升高至1550oC,陶瓷在800nm處的直線透過率從65.3%升高至74.2%,平均晶粒尺寸從2.4μm增大至16.3μm,抗彎強度從328±20MPa降低至289±19MPa。較高的熱等靜壓燒結溫度能夠產生更強的燒結驅動力,氣孔排除更充分,陶瓷光學透過率更好,但陶瓷的晶粒會長大,相應力學性能下降。相關研究成果發表在Journal of Advanced Ceramics2022,doi: 10.1007/s40145-022-0602-6)。 

  同時,該團隊以成本低、來源廣的ZrOCl2·8H2OY(NO3)3為原料,NH3·H2O為沉淀劑,采用共沉淀法合成了Y0.16Zr0.84O1.92納米粉體,并通過空氣預燒結合熱等靜壓燒結技術成功制備出了直線透過率達到65.3%@800nm的氧化鋯透明陶瓷。該研究團隊接著調控共沉淀工藝中滴定終點的pH值來優化納米粉體的分散性和燒結活性,并將氧化鋯透明陶瓷的光學透過率提升至67.8%@800nm。該團隊又通過優化預燒溫度來提高氧化鋯透明陶瓷的光學透過率。結果表明,1300oC空氣預燒結合熱等靜壓燒結技術制備的氧化鋯透明陶瓷具有更好的光學質量,其直線透過率達到72.4%@800nm。相關研究結果分別發表于Scripta Materialia2019, 171: 98-101)、Optical Materials2019, 98: 109475)和Optical Materials2020, 100: 109645)。上述論文第一作者均為上海硅酸鹽所博士研究生陳鵬輝,通訊作者為李江研究員。 

  將稀土氧化物或過渡金屬氧化物作為著色劑摻入陶瓷中,可以制備出顏色鮮艷、折射率高、理化性能穩定、力學性能優異和無毒等特性的彩色氧化鋯透明陶瓷,克服了彩色氧化鋯單晶極高的制備溫度下著色劑嚴重揮發的難題。目前國內外對氧化鋯透明陶瓷研究主要集中于無色或淡黃色上,因此對氧化鋯透明陶瓷顏色研究以及開發具有重要科學意義和應用價值。近期,李江研究員團隊與江蘇大學材料學院劉強教授合作開展了關于彩色氧化鋯透明陶瓷的研究工作,并取得了研究進展。該團隊以商業8YSZ粉體和CeO2粉體為原料,采用固相混合著色法結合兩步燒結技術制備了直線透過率為70.7%@700nm,紅色度a*57.1的彩色氧化鋯透明陶瓷。該紅色氧化鋯透明陶瓷制備技術可有效避免著色劑的揮發,相關研究結果發表于Optical Materials2022, 129: 112484)。為提高紅色陶瓷的著色均勻性,研究團隊采用共沉淀法合成了均勻摻雜的Ce:8YSZ納米粉體,并通過兩步燒結技術制備了直線透過率為47.6%@700nm,紅色度為52.0的氧化鋯透明陶瓷。該類紅色氧化鋯透明陶瓷的成功制備,可以拓寬氧化鋯陶瓷在濾光片、信號燈罩等領域的應用。相關研究成果發表于Journal of Inorganic Materials2022, doi:10.15541/jim20220025)。上述論文第一作者為上海硅酸鹽所和江蘇大學聯合培養碩士研究生王倩,通訊作者為李江研究員。 

a)氧化鋯陶瓷預燒體和(b)氧化鋯透明陶瓷的SEM微觀形貌,氧化鋯透明陶瓷(厚度4.0mm)的(c)實物圖和(d)直線透過率曲線 

 

紅色氧化鋯透明陶瓷的實物圖和直線透過率曲線 

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