脉冲电流烧结法制备透明cr掺杂Al2O3

清国党和Makoto Nanko

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AZojomo (ISSN 1833-122X)第6卷2010年11月

主题

摘要
关键词
介绍
实验的程序
结果与讨论
结论
参考文献
联系方式

摘要

AL.₂O._3.掺有少量铬的红宝石被称为红宝石，广泛应用于各种场合。AL.₂O._3.cr₂O._3.通过干燥铝，制备了混合粉体₂O._3.含铬(NO_3.）_3.并通过脉冲电流烧结（PEC）加工成Cr-掺杂的Al₂O._3.多晶体。PECS工艺是在真空条件下进行的，烧结温度为1200℃，升温速率为2 ~ 100 K/min，单轴压力分别为40、80和100 MPa。PECS加热速度慢、压力大，导致体密度高，cr掺杂Al透明₂O._3.多晶体。

关键词

Cr-doped艾尔₂O._3.，红宝石，脉冲电流烧结（PEC），密度，透明，微观结构

介绍

Pure Corundum（Al₂O._3.）是一种罕见的矿物质，完全无色和透明。少量金属元素如铬，铁，钛或钒可以替代刚玉晶体结构的铝，产生许多颜色变化。Ruby，来自多彩色刚玉家族的这种宏伟的红色品种，包括氧化铝和铬以及其他元素的非常精细的痕迹。Ruby的优点是耐热性高，熔点高，机械强度高，硬度高，化学稳定性优异。Ruby广泛用于液压，化学品，气流过滤器，固态激光器，太阳能，装饰产品，棱镜和楔等光学组件等[1,2]。

脉冲电流烧结(简称PECS)，又称火花等离子烧结(SPS)或等离子活化烧结(PAS)，是一种最新的压力烧结工艺，用于强化陶瓷、金属材料及其复合材料等先进材料。亚博网站下载烧结过程包括将原料粉末放入导电模内，用两个单轴压紧的冲头关闭单元，并通过导电模瞬时施加脉冲电流，在某些情况下，通过试样加热试样[3-24]。也有报道称PECS用于生产透明陶瓷[17-25]。一些报道描述了用PECS成功烧结透明氧化铝多晶[17-22]。特别地，Kim等人证明，对于PECS处理Al₂O._3.，较慢的升温速率对于致密化和透明度是有效的[17-19]。

但是，没有关于烧结彩色的报道₂O._3.PECS过程中的任何掺杂在本研究中，Al₂O._3.cr₂O._3.通过干燥铝，制备了混合粉体₂O._3.含铬(NO_3.）_3.．将粉末混合物反应并烧结成透明的Cr掺杂的Al₂O._3.在不同的条件下，特别是在不同的加热速率和施加压力下，多晶的ppecs工艺。

实验的程序

商业Á-al₂O._3.粉末(99.99%纯度，TM-DAR，日本泰美化工有限公司)与Cr(NO_3.）_3.(日本Nacalai Tesque Inc.)作为Cr的原材料₂O._3.在蒸馏水中。将含水的浆液滴入350°C加热的玻璃容器中进行干燥。Cr的质量₂O._3.最终样品中的浓度等于70ppm。美联₂O._3.cr₂O._3.混合粉料使用氧化铝砂浆进行常规干磨，研磨时间为30分钟。烧结实验使用Dr. Sinter型号SPS-1050(住友煤炭开采公司)进行，12/2为ON/OFF脉冲模式，这是PECS供应商推荐的。美联₂O._3.cr₂O._3.将粉末混合物放入石墨模中(外径ϕ30，内径ϕ15.4，高30mm)，开一个ϕ1.8 × 3mm的孔，用高温计测温。烧结温度由预先设定的加热程序控制，加热时由聚焦在模具表面孔上的光学高温计测量。PECS工艺是在真空条件下，单轴压力为40 - 100 MPa，烧结温度为1200°C，烧结时间为20 min。加热速率为2和100 K/min。

烧结体的堆积密度由液体置换技术与甲苯测定。阶段识别₂O._3.cr₂O._3.通过使用X射线衍射（XRD）进行粉末混合物。通过能量分散X射线光谱（EDX）观察Cr，Al和O的分布。通过扫描电子显微镜（SEM）与EDX进行元素映射，观察到的微观结构。通过使用Linear截距法测定平均晶粒尺寸，该方法的补偿系数为1.126 [26]。

结果与讨论

图1为Al的XRD谱图₂O._3.cr₂O._3.粉末混合物。获得具有单刚核相的样品。没有发生污染或其他化学反应。图2显示了Al的微观结构₂O._3.cr₂O._3.与氧化铝砂浆研磨后的粉末混合物。铝的强团聚₂O._3.观yabo214察到颗粒。

图1。Al的XRD谱图₂O._3.cr₂O._3.粉末混合物。

图2。Al的微观结构₂O._3.cr₂O._3.研磨过程后粉末混合物。

图3为Al的EDX元素图₂O._3.cr₂O._3.研磨过程后的粉末混合物。元素图表明，Cr和Al均匀地存在于粉末混合物中。

图3。Al的SEM和EDX图像₂O._3.cr₂O._3.研磨过程后粉末混合物。

烧结体的相对密度与施加的单轴压力的关系如图4所示。相对密度随单轴压力的增大而增大。在相同的单轴压力下，加热速率较慢的PECS烧结红宝石多晶的相对密度高于加热速率较快的PECS烧结红宝石多晶。在100 MPa下烧结的样品均能达到理论密度(>99%)。当单轴压力为80 MPa或更高时，在最慢的升温速率下已经获得了完全致密的样品。单轴压力和加热速率对铝PECS过程的致密化有重要影响₂O._3.cr₂O._3.粉末混合物。

图4。相对密度，D和应用单轴压力之间的关系，P在Al的PEC中₂O._3.cr₂O._3.粉末混合物。

图5为不同条件下PECS烧结红宝石多晶断口的SEM图像。单轴压力为40 MPa时，所有烧结样品的平均晶粒尺寸均变小，样品中存在气孔。当单轴压力增加到100 MPa时，升温速率为2 K/min的红宝石多晶完全致密。在较慢的升温速率下，较高的压力下烧结后晶界处气孔较少，晶粒细小。平均晶粒尺寸与施加在不同加热速率下的单轴压力之间的关系如图6所示。结果表明:单轴压力对平均晶粒尺寸影响较小，加热速率对平均晶粒尺寸影响较大;加热速度较慢的红宝石多晶晶粒尺寸小于加热速度较快的红宝石多晶。似乎加热速率对晶粒长大的作用大于施加的单轴压力。

图5。烧结在1200℃：a）和b）的红宝石多晶的裂缝表面的SEM图像，2k / min的加热速率和施加的单轴压力为40和100MPa;c）和d）分别为100k / min的加热速率和施加的单轴压力分别为40和100MPa。a），c）和d）的箭头代表孔隙。

图6。平均晶粒尺寸，D和应用单轴压力的关系，P在Al的PEC中₂O._3.cr₂O._3.粉末混合物。误差条显示最大值和最小值。

对于加热速率对晶粒尺寸的影响，一直存在着相互矛盾的结果。有研究报道氧化铝的晶粒尺寸随着加热速率的增加而减小[9,10,28]。这些报道提到氧化铝在快速加热时晶粒尺寸较小，这与本研究和其他报道的结果相反[18,29]。用传统的晶粒长大经验方程解释了其机理。这些结果相互矛盾的原因还不清楚。但是，在不同的烧结条件下，用不同的Al进行了各自的PECS实验₂O._3.粉末。不同的烧结条件可能为理解相互矛盾的结果提供了线索。为了解释在较高的加热速率下晶粒尺寸增大的原因，Murayama和Shin提到了在[29]致密化过程中快速加热和相关的快速塑性变形产生了高缺陷浓度的可能性。因此，在PECS加工过程中，加热和塑性变形同时产生的缺陷可能会加速晶粒长大。粉末颗粒中的初始缺陷浓度，在不同的粉末中是不同的，也应该影响烧结行为。yabo214

为了在氧化铝压力烧结中实现完全致密化和细粒度，Krell等人强调了烧结前原料粉中均匀分散颗粒的重要性[30,31]。他们利用搅拌、超声和研磨等技术使粉末均质，从而提高了最终的密度和透明度。另一方面，Kim等[17-19]认为，除了缺陷浓度低外，在较低的温度下，较慢的升温速率和接收到的al中，粉末可能会受到类似于预粗化的影响₂O._3.粉末在PEC期间均质均质化。此外，一些研究人员报告说是al₂O._3.具有少量掺杂元素的粉末，如MgO或三重掺杂剂组合3掺杂剂：Mg，Y和La给出了细粒尺寸和样品的最佳透明度[20,21,32]。由于Al中的元素的溶解度非常有限₂O._3.时，掺杂剂或杂质在晶界的偏析会影响晶粒尺寸。除了PECS过程中的致密化外，粉末制备起始粉的质量对PECS过程中晶粒长大也起着关键作用。

如上所述，更高的施加的单轴压力和缓慢加热速率导致完全致密化和小粒度。红宝石多晶的透明度可能受相对密度和晶粒尺寸的影响。透明度与晶粒尺寸和密度成反比[20,27]。在高施加的单轴压力下烧结具有各种加热率的红宝石多晶的透明度差异如图7所示。具有较高孔隙率的红宝石多晶比致密透明度较低。除了孔隙率的影响外，晶粒尺寸也会影响透明度。因此，红宝石多晶逐渐改变，从不透明的外观透明随着施加的单轴压力的增加和同时降低加热速率。肉眼容易观察红宝石多晶的透明度。

图7。在单轴压力为100 MPa、温度为1200℃条件下，PECS烧结红宝石多晶的图像如下:a)、b)加热速率分别为2和100 K/min。这些样品的厚度约为2.5 mm。

然而，一些点在红宝石多晶体中出现，如图7所示。这些点具有高CR浓度，如EDX结果所示。图8显示了烧结红宝石多晶的裂缝表面的SEM图像和EDX元素。可能是黑点的多孔区域，显示出高CR浓度。均匀的制备₂O._3.cr₂O._3.粉末混合物对于获得具有更高透明度的烧结红宝石多晶，而没有黑点。诸如高速铣削等强大的铣削过程可有效改善粉末混合物的均匀性。

图8。Ruby多晶的裂缝表面的SEM和EDX图像在1200℃下烧结，加热速率为100k / min，在100mPa的应用单轴压力下。

结论

用PECS处理Al成功地获得了高密度的红宝石多晶₂O._3.cr₂O._3.干燥水铝制备的粉末混合物₂O._3.包含Cr(没有泥浆_3.）_3.．在本研究中，加热速率较慢的PECS过程致密化完全，晶粒尺寸较小。施加单轴压力对微观结构影响不大，但对致密化有显著影响。烧结后的红宝石多晶在较慢的升温速率(如2 K/min)和较高的单轴压力(如100 MPa)下表现出良好的透明性，易于肉眼观察。然而，红宝石多晶体内部出现了一些圆点。这些点可能是由铝的异质性造成的₂O._3.cr₂O._3.粉末混合物。

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论文发表在《材料与材料加工技术进展》，12[1](2010)19-24。亚博网站下载