МЕНЮ
Статии

Статии

Начало>Статии

Скорошен напредък и предизвикателства на прозрачната AlON керамика

2023-05-10

Керамиката и нейните композити са широко изследвани за различни приложения поради техните уникални химични и физични свойства [1-7]. Сред тях прозрачната керамика има широко приложение в сферата на бизнеса и военната индустрия поради своите изключителни оптични, физически и механични свойства [8-10]. Сред прозрачната керамика, прозрачната керамика от алуминиев оксинитрид (AlON) се счита за една от най-важните керамики в куполите, инфрачервените и видимите прозорци и прозрачните брони и т.н. [11-13]. В сравнение с монокристалния сапфир, който е добре известен като най-твърдата прозрачна керамика, поликристалната AlON керамика има сходни характеристики на якост, твърдост и оптични свойства, но предлага повече гъвкавост по отношение на размера и формата [14,15]. Ето защо керамиката AlON привлича нарастващо проучване. γ-AlON е твърд разтвор на Al16,17O18 и AlN [19,20]. Изследвани са много методи за приготвяне на AlON прах или AlON керамика, като реакция в твърдо състояние [21], метод на карбонизация за Al22,23O24 [6.2], химическо отлагане на пари [25], зол-гел метод [26], и синтез чрез изгаряне в разтвор [3.99]. Измерената ширина на забранената зона на AlON е 200.9 eV [1]. TU et al [14] използваха функционална теория на плътността на първите принципи (DFT), за да проучат предпочитанията на място за Al вакансия и Natoms в γ-AlON. Структурният модел на забранената зона и обемния модул на γ-AlON, тъй като локалната структура на Al₂XNUMXO₂₇NXNUMX е изчислена на XNUMX eV от N атоми, а свободните места на Al в γ-AlON не са и съответно XNUMX GPa. Като се има предвид широка лента ясно. Свойствата на γ-AlON са показани в празнина заедно с ниска фотонна енергия и висока Таблица XNUMX [XNUMX].

Термична стабилност, AlON керамиката е изследвана като фосфорна матрица. Като люминофор с фотолуминесценция с повишено преобразуване (UCPL), AlON може да бъде легиран с различни редкоземни елементи, като Eu₂+ [27], Yb28+ [29], Tm30+ [4] и Ce4+ [31]. Наскоро беше установено, че стъклата, базирани на евтиния AlON, комбинирани със слоя 32-диметил-амино-N-метил-5-стилбазолиумтозилат (DAST) [90] и VO₂ тънък филм върху прозрачния AlON [5], имат потенциално приложение в интелигентни прозорци. ALON(31)−DAST(6)−ALON(4) превъзхожда индустриалните стандартни търговски стъкла за прозорци със забележките за най-евтини, леки и най-здрави [33]. Освен това, Ti34Al35V беше успешно приготвен върху керамика AlON чрез метод на спояване с активни елементи и композитът показа изключителни механични свойства [11,13,36,37]. Трябва да се отбележи, че новите добавки за синтероване на HXNUMXBOXNUMX [XNUMX] и земни елементи (Sc, La, Pr, Sm, Gd, Dy, Er и Yb) [XNUMX] са различни от конвенционалните YXNUMXOXNUMX, LaXNUMXOXNUMX и MgO. Въпреки че подобрените методи, новите добавки за синтероване, по-сложното легиране на земни елементи и новото проучено приложение и т.н. са широко разработени, все още липсва систематично, целенасочено и актуално обобщение [XNUMX]. Освен това, някои нерешени проблеми и нови предизвикателства на керамиката AlON възпрепятстват нейното търговско популяризиране и приложение. Ето защо тази статия прави най-новия и критичен преглед на прозрачната AlON керамика по отношение на методите за подготовка, добавките за синтероване, технологиите за синтероване, предизвикателствата и перспективите за развитие.


ФИГУРА 1

  ФИГУРА 1

    

                  Таблица 1 Свойства на γ-AlON [14]                          

ПараметърСтойност
Плътност/(g·cm−3 )3.71
Параметър на решетката/Å7.947
Точка на топене/°C2140
Модул на Юнг/GPa323.6
Модул на срязване/GPa130.4
Микротвърдост/GPa19.5
Коефициент на Поасон, μ0.24
Якост на огъване/MPa300.1 34.5 ±
Топлинно разширение/°C−17.8×10−6
Топлопроводимост/(W·m−1 ·K−1 )12.6
Индекс на пречупване (Λ=4.0 μm)/%1.66
Якост на счупване/(MPa·m1/2)2.0

AlON има кубична структура на шпинел с пространствена група Fd3m [38,39]. Както е показано на фиг. 1 [40], атомите N и O са разположени на местата 32e, а атомите Al са разположени на местата 16d и 8a. Въз основа на експериментални резултати и теоретични

През 1964 г. първата фазова диаграма на двоичната системаAlXNUMXOXNUMXСъставът на −AlN е публикуван от LEJUS [43]. След това MCCAULEY et al [44,45] съобщават за по-пълна диаграма на фазовото равновесие на псевдо-бинарния състав Al1.013O105−AlN под потока на азот при 2×44 Pa, както е показано на Фиг. XNUMX [XNUMX]. Освен експерименталното определяне, изчисленията, моделът на постоянната анионна структура на AlON може да бъде описан с формулата на Al(64+x)/3V(8−x)/3O32−xNx, където 2≤x≤5 [39−42]. Въпреки това е трудно да се потвърди разумното, че някои изследователи са се опитали да изчислят региона на стабилност на AlON и псевдо-бинарната система Al36,46O49−AlN въз основа на експерименталните данни и наличните термодинамични данни на диаграмата на фазовото равновесие [XNUMX−XNUMX] . Въпреки това, фазовото разделяне, което се случва в експериментите, все още не може да бъде модифицирано поради по-малко експериментална информация. 

ФИГУРА 2

ФИГУРА 2

Добре известно е, че керамиката има зърна, граници на зърната и порьозност и т.н. (фиг. 3)[50,51]. Както бе споменато по-горе, керамиката AlON притежава изотропна кубична решетъчна структура, което е една от важните причини, поради която те могат да бъдат оптически прозрачни. Сред източниците на разсейване на светлината порьозността е най-важният фактор за определяне дали керамиката може да бъде прозрачна или не. Минимизиращата порьозност трябва да бъде по-голяма от 99.9% от теоретичната плътност, а размерът на порите по границите на зърната трябва да бъде по-малък от дължината на вълната на светлината или не трябва да съществува. Границите на зърната са неизбежно присъствие в керамиката и оказват значително влияние върху прозрачността. Така че границите на зърната с високо качество и зърната с по-малки и еднакви размери се очаква да получат високопрозрачна AlON керамика. Използването на добавките за синтероване обикновено може да елиминира остатъчните пори по време на синтероването, но ще доведе до нови центрове на разсейване на светлината в керамиката, вторичната фаза и включванията. Като два важни източника на разсейване на светлината, порьозността и границите на зърната трябва да бъдат намалени възможно най-много. SHAHBAZI et al [51] описват подробно прозрачната керамика, ефективните параметри на прозрачността, теорията на Mie и теорията на Fraunhofer.

ФИГ. 3

ФИГУРА 3 

Към днешна дата са докладвани много методи за приготвяне на AlON мощност или AlON керамика, като реакция в твърдо състояние [18,52−55], метод на карбонизация от Al19,56O61[21,62−22,63], химическо отлагане на пари [XNUMX ] и сол-гел метод [XNUMX]. Повечето от изследванията се фокусират върху реакцията в твърдо състояние на AlXNUMXOXNUMX и AlN при висока температура и метода на карбонизация за редукция на AlXNUMXOXNUMX.

Методът на твърдо състояние е прост и конвенционален подход за получаване на много съединения. Едно от най-големите предимства на реакцията в твърдо състояние при висока температура е, че суровините могат да бъдат получени без усилие. Реакцията на Al5O9 и AlN за образуване на AlON може да се опише като 13,64AlN+XNUMXAlXNUMXOXNUMX→ AlXNUMXO₂₇NXNUMX[XNUMX]. Изключително чистите Al₂O₃ и AlN мощности се предлагат на пазара и могат да се използват директно за производство на AlON мощности или дори за полупрозрачна AlON керамика. Едноетапната подготовка на AlON керамиката може не само значително да намали разходите за синтероване, но също така да опрости процеса на синтероване, както и лесно да постигне широкомащабно производство. Въпреки това, праховете могат да бъдат агрегирани или смесени нехомогенно, което води до лоша прозрачност на AlON керамиката. Междувременно ултрафиният AlN с висока чистота е скъп, което увеличава производствените разходи. Както е показано на фиг. 4(a), MCCAULEY и ORBIN [52] първо подготвиха полупрозрачния AlON диск и представиха усъвършенствана високотемпературна фазова диаграма на AlON по протежение на псевдообикновената композиционна връзка AlXNUMXOXNUMX-AlN. Процесът на синтероване в течна фаза е използван за производството на прозрачна AlON керамика от PATEL et al [65]. α-Al27O30 в диапазона от XNUMX-XNUMX mol.% първо се смесва с AlN. След това сместа се пресова в пелети след смилане на топка. Пелетите се синтероват при 1950-2025 °C за 10-60 минути, а частичните материали могат да образуват течна фаза, за да насърчат синтероването на този етап. След това температурата на системата спада с 50-100 ° C и се поддържа за още 8-20 часа за допълнително подобряване на плътността и прозрачността. CHEN et al [66] първо синтезираха фаза с чиста мощност AlON:Ce3+ при 1780 °C в азот, след което пълната плътност и прозрачност на керамиката AlON:Ce3+ бяха постигнати чрез синтероване без налягане с помощта на течна фаза при 1900 °C за 20 часа (фиг. 4(a) и (b)). Освен директен синтез на използвания метод за получаване на AlON прахове и след това полупрозрачната AlON керамика чрез твърдо състояние, използвано за производството на AlON керамика. Основният метод, LI et al [67] използва прахове AlXNUMXOXNUMX и AlN. Предимството на този метод се крие в ниската цена на суровините за бързо синтезиране на еднофазни суровини и осъществимостта на промишлени мощности на AlON първо чрез твърдо състояние метод. След това, производство. Условията на синтероване обаче са, че приготвените AlON прахове са смлени във фин комплекс и е трудно да се контролира точно молът AlON прахове, както е показано на Фиг. 4(d) и (e). Съотношението на Al2OXNUMX към C и AlON е лесно прозрачен AlON керамика е произведена чрез разлагане на AlXNUMXOXNUMX и AlN в NXNUMX синтероване без налягане на получената фина AlON атмосфера при висока температура. Всички тези прахове и линейната пропускливост на AlON могат да доведат до нечисти AlON прахове. керамиката беше до 84.3% (d100 mm × 1 mm) при JIN et al [68] първо изработиха Al3.7OXNUMX / XNUMX μm (фиг. 4(f) и (g)).

ФИГ. 4

ФИГУРА 4 

Карботермалната редукция и сместа за карботермално нитриране, както е показано на фиг. 5(a-c). По време на процеса подходът на въглеродния слой (CRN) беше използван за първи път за получаване на повърхността на частиците Al1959O39, беше установено, че силно съединението на AlON от YAMAGUCHI и забавя коалесценцията и растежа на Al80O2000 YANAGIDA през 1950 г. [8]. CRN е най-много частици. И накрая, прозрачната AlON керамика с максимална линейна пропускливост над 5% при 69 nm може да бъде постигната чрез двуетапния метод на карботермално нитриране в азот при 1.1 ° C за 2.2 часа (фиг. 1.1 (d)). SHAN et al [5] съобщават, че както бимодален (~82.1 μm и ~3600 μm), така и унимодален (~1820 μm) AlON прахове могат да бъдат получени чрез използване на топкова мелница на така приготвения AlON прах чрез CRN метода ( Фигури 2.5(e) и (f)). Те откриха, че прахът AlON с бимодално разпределение на размера на частиците (PSD) притежава бързо уплътняване по време на процеса на синтероване, а отличната прозрачна AlON керамика с до 5% инфрачервена пропускливост при ~XNUMX nm беше синтерована без налягане в азот при XNUMX °C за XNUMX часа (Фиг. XNUMX(g))


ФИГ. 5

ФИГУРА 5

Фините и чисти γ-AlON прахове бяха успешно получени от YUAN et al [70] чрез комбиниран метод (фигури 6 (a) и (b)). Освен това те използват праховете γ-AlON за производство на керамика AlON и изследват ефекта на двойните ламели върху тяхната механична якост (фиг. 6 (c−j)) [71]. Те откриха, че двойните ламели и границите се повишават с увеличаването на средния размер на зърното в керамиката с голям размер AlON, което осигурява обещаващ подход за подобряване на прозрачната керамика с големи зърна. 

Досега има и други изследвани методи за синтезиране на AlON прах или керамика. Например, ASPAR et al [62] подготвиха съединението AlON, използвайки амоняк, триметилалуминий и азотен оксид чрез химическо отлагане на пари (ССЗ) метод. Установено е, че температурата и налягането имат значителен ефект върху равновесните състави чрез модифициране на количеството на наличния CO. IRENE et al [21] също приложиха CVD метода за производство на AlxOyNz филми върху силиций. Важно е, че фазата може да се контролира чрез регулиране на съотношението на NH72/CO73 газ и температурата на приготвяне KIM et al [74] разработиха базиран на нискотемпературен зол-гел подход за получаване на Al-ON система, въпреки че може да е трудно да се работи нитридният прекурсор на хидразин в този процес. Някои други азотиращи агенти бяха изследвани в по-нататъшното им изследване. KIKKAWA et al [XNUMX] произвеждат AlON чрез амонячно нитриране на прекурсор на оксид, който се получава чрез пептизиране на глицинов гел с алуминиев нитрат. Освен това е проектиран плазмен реактор за синтезиране на нанопрахове AlON според взаимодействието на прах Al с амоняк и въздух в термична азотна плазма [XNUMX]. Фазовият, химичният и дисперсният състав на приготвените нанопрахове са свързани с параметрите на плазмения процес и конструкцията на реактора.

За да се получи високопрозрачна AlON керамика, трябва да се добавят добавки за синтероване, за да се елиминират остатъчните пори по време на синтероването, които са центърът на разсейване на светлината. В наши дни различни добавки за синтероване на AlON, като Y₂O67, La69,75O80, MgO, SiO₂ и CaCO2, са широко изследвани [69-3-82.1]. Според видовете добавки за синтероване, ние обобщихме типичните резултати за прозрачност на AlON керамика с различни добавки за синтероване, както е показано в таблица 3600. Например, SHAN et al [0.5] съобщават, че пропускливостта на AlON керамика (7 mm дебелина) е 76% при дължина на вълната 86 nm с 3.5 тегл.% Y2000O0.15. SiO₂ е използван за първи път като добавка за синтероване за керамиката AlON (фиг. 0.55 (b)) [2]. Те откриха, че линейната пропускливост на керамиката AlON е до 81% (0.12 mm дебелина) при 0.09 nm и не е чувствителна към концентрацията на добавката с 80.3-2 тегл.% SiO400. Някои изследователи са използвали два вида добавки за синтероване, за да произведат високопрозрачна AlON керамика. WANG et al [7] използваха 68 тегл.% Y₂O0.1−0.08 тегл.% La0.025O81 като ко-добавки за AlON керамиката, като получиха пропускливост от 1% (1100 mm дебелина) при 81 nm (фиг. 7(a)) . Те съобщават, че Y82+ и La1870+ имат синергичен ефект върху растежа на зърното, като Y498+ подобрява мобилността на границата на зърното и насърчава растежа на зърното, докато La82+ инхибира растежа на зърното. JIN et al [10] синтероват AlON керамика, като използват три вида добавки за синтероване без налягане, съставени от 6 тегл.% MgO, 1775 тегл.% Y₂O128 и 10 тегл.% La6O4000, и постигат пропускливост от 10% (6 mm в дебелина) при XNUMX nm. Наскоро Y₂OXNUMX−La₂OXNUMX− MnO като композитна добавка за синтероване за производство на прозрачна AlON керамика беше изследван от WANG et al [XNUMX] (фиг. XNUMX(d)). Границите на разтворимост на добавките за синтероване в AlON са изследвани от MILLER и KAPLAN [XNUMX] с помощта на спектроскопия с дисперсионна дължина на вълната, монтирана на сканиращ електронен микроскоп. Те откриха, че границите на разтворимост на La, Y и Mg в AlON при XNUMX °C са съответно (XNUMX±XNUMX)×XNUMX−XNUMX, (XNUMX±XNUMX)×XNUMX−XNUMX и >XNUMX×XNUMX−XNUMX. 


ФИГ. 7

ФИГУРА 6

В допълнение към конвенционалните добавки за синтероване на Y₂O₃, La34O35 и MgO, бяха изследвани и нови добавки за синтероване на троен композит на основата на H8BO0.1 [80] и земни елементи [8]. Както е показано на фиг. 34 (a) и (b), различни редкоземни елементи (Sc, La, Pr, Sm, Gd, Dy, Er и Yb) са систематично изследвани като добавка за синтероване за прозрачна AlON керамика, съответно. Беше установено, че AlON керамиката с 81 тегл.% Pr-нитрат представя най-високата пропускливост от ~ 4% чрез двуетапно синтероване без налягане (фиг. 600 (c)), което показва, че редкоземните елементи могат да бъдат обещаваща алтернатива за синтероване добавка. Съвсем наскоро, използвайки Y₂O0.12−MgAl₂O₄−H₃BOXNUMX като добавка за съвместно синтероване, YANG et al [XNUMX] получиха AlON керамика с пропускливост от XNUMX% (XNUMX mm дебелина) при XNUMX nm чрез едноетапно реактивно синтероване, когато HXNUMXBOXNUMX съдържанието е XNUMX тегл.% (Фигура 8(d)). 


ФИГ. 8

ФИГУРА 7


      Таблица 2 Резултати за прозрачност на AlON керамика с различни добавки за синтероване

Тип добавка за синтерованеСъдържание на Y₂OXNUMX/тегл.%Съдържание на LaXNUMXOXNUMX/тегл.%Съдържание на MgO/тегл.%Съдържание на SiO₂/тегл.%Съдържание на CaCOXNUMX/тегл.%Дължина на вълната/ nmПредаване/%Дебелина / ммРеф.
1



0.15-0.55
2000863.5[76]




0.43700853[79]
0.5



370084.31[67]
0.5



360082.13[69]

0.02


110074.64.2[75]
20.120.09


40080.32[80]
0.4
0.25

200086.11[78]
0.05
0.2

2000841.5[77]
30.080.0250.1

1100811[68]


Преди синтероване зелените пелети от праховете AlON обикновено се образуват чрез сух процес, включително едноосна преса под налягане и студена изостатична преса, или чрез мокър процес, включително леене с гел [8,63,83]. Изследвани са много технологии за синтероване за получаване на AlON керамика, като синтероване без налягане [56,58,67,68,77,79], вакуумно синтероване [65], горещо пресоване [84], микровълново синтероване [85,86], искрово плазмено синтероване [87−89] и горещо изостатично пресоване [75,76,78,90,91]. Предимствата и недостатъците на обичайните методи за приготвяне на AlON керамика са показани в таблица 3. Синтероването без налягане е най-традиционната технология за синтероване и е рентабилно за масовото производство на AlON керамика с различни размери и форми. Въпреки това, висока температура на синтероване, дълго време на синтероване и добавки за синтероване обикновено са необходими за получаване на високопрозрачна AlON керамика. LI et al [67] съобщават за голям брой прозрачни AlON керамики с размери d100 mm × 1 mm чрез синтероване без налягане при 1950 °C за 12 часа в течаща атмосфера на N2 в графитна пещ. Коефициентът на пропускливост на линията на AlON керамиката (1 mm дебелина) е 84.3% при дължина на вълната 3.7 μm с 0.5 тегл.% Y₂O92. Вакуумното синтероване е ефективна технология за синтероване за елиминиране на газ от керамика [65]. PATEL et al [2] използваха Al3O2000 и AlN с висока чистота като суровини за производството на полупрозрачна AlON керамика при 8 °C за 32 часа и 1900 MPa налягане при горещо пресоване, последвано от 8 °C за повече от 8 часа. h във вакуум. Може да се използва синтероване с горещо пресоване (HP), за да се приложи аксиално налягане, за да се ускори движението на силите и да се направи зелената пелета напълно плътна при относително ниска температура. Но синтероването на HP не е подходящо за подготовка на големи и сложни проби, а производството е с висока цена и неизбежно могат да бъдат въведени примеси и дефекти. Необходим е процес след отгряване за отстраняване на въглеродното замърсяване [84]. TAKEDA и HOSAKA [1900] получиха прозрачна λ-AlON керамика при 1 °C за 20 час и XNUMX MPa налягане при горещо пресоване. Микровълновото синтероване притежава висока енергийна ефективност, спестяване на разходи, ниска температура на синтероване, засилена реакция и скорост на синтероване. При микровълновия процес преобразуваната микровълнова енергия може да се нагрее в самия обем на пробата. CHENG et al [85] възразиха, че AlON, синтерован при 1800 °C за 1 час по време на микровълновия процес, има общо предаване от 60%. Искровото плазмено синтероване (SPS), наричано още синтероване с импулсен електрически ток, може да реализира плътна прозрачна керамика с фини зърна поради краткото си време на синтероване и ниска температура с помощта на импулсен постоянен ток под налягане. Така растежът на зърното може да бъде намален. SHAN et al [87] произвеждат високопрозрачна AlON керамика чрез SPS при ниска температура от 1600 °C и бързи скорости на нагряване от 50−250 °C/min при налягане от 60 MPa. Максималната пропускливост на получената AlON керамика (1.4 mm дебелина) е 80.6%. 


ФИГ. 8

ФИГУРА 8


Таблица 3 Предимства и недостатъци на обичайните методи за приготвяне на AlON керамика

Метод на приготвянеПредимствонедостатък
Синтероване без наляганеПрост процес, подходящ за подготовка на големи и сложни проби, ниски изисквания към оборудването и висока производителностНиска енергийна ефективност и дълго време за синтероване
Вакуум синтерованеПрост процес, подходящ за подготовка на големи и сложни проби, ниски изисквания към оборудването и висока производителностНиска енергийна ефективност и дълго време за синтероване
Искрово плазмено синтерованеВисока енергийна ефективност, ниска температура на синтероване, кратко време за синтероване и спестяване на разходиНе е подходящ за подготовка на големи и сложни проби, високи изисквания към оборудването и ниска производителност
Микровълново синтерованеВисока енергийна ефективност, ниска температура на синтероване, кратко време за синтероване и спестяване на разходиНе е подходящ за подготовка на големи и сложни проби, високи изисквания към оборудването и ниска производителност
Горещо пресованеВисока пропускливост, висока плътност и малко остатъчни пориНе е подходящ за подготовка на големи и сложни проби, високи изисквания към оборудването, ниска производителност, сложен процес и висока цена
Горещо изостатично пресованеВисока пропускливост, висока плътност и малко остатъчни пориНе е подходящ за подготовка на големи и сложни проби, високи изисквания към оборудването, ниска производителност, сложен процес и висока цена


 Горещо изостатично пресоване (ХИП) е най-мощната технология за синтероване за постигане на максимална плътност и висок клас оптично предаване на керамика чрез крайно намаляване на остатъчните пори в керамиката [8,11,93,94]. По време на високотемпературно синтероване, HIP оборудването може да се прилага чрез изостатично налягане на газ. Фигура 9 показва схематичната диаграма на модела на микроструктурата за елиминиране на порите от HIP [8,95]. Обикновено е значително трудно да се премахнат остатъчните пори чрез други технологии за синтероване. Необходима е допълнителна HIP процедура за елиминиране на остатъчните пори и увеличаване на плътността и пропускливостта много близо до теоретичната стойност. 


ФИГ. 9

ФИГУРА 9


Тази работа беше подкрепена от Фондацията за естествени науки на провинция Дзянси, Китай (№ 20192BAB216009), Проекта за планиране на науката и технологиите на провинция Хунан, Китай (№ 2019WK2051) и Проекта за наука и технологии на Чанша, Хунан, Китай (№. kh2003023).






Наем
Индустриален парк ACME Xingsha, East Liangtang Rd. , град Чанша, Хунан
Телефон
+ 86 151 7315 3690(Джеси Мобил)
E-Mail
overseas@sinoacme.cn
За нас

Основана през 1999 г., ACME (Advanced Corporation for Materials & Equipments) се намира в Xingsha Industrial Park, с площ от 100,000 2 mXNUMX. ACME е високотехнологично предприятие, специализирано в производството на индустриално отоплително оборудване за нови материали и енергия.Политика за поверителност | Правила и условия

Контакти
Advanced Corporation за материали и съоръжения| Карта на сайта