Prugressi recenti è sfide di a ceramica AlON trasparente

A ceramica è i so cumposti sò stati largamente investigati per diverse applicazioni per via di e so proprietà chimiche è fisiche uniche [1-7]. Frà elli, a ceramica trasparente hà una larga applicazione in u duminiu cummerciale è l'industrii militari per via di e so eccezziunali proprietà ottiche, fisiche è meccaniche [8-10]. Trà i ceramichi trasparenti, a ceramica di ossinitruru d'aluminiu trasparenti (AlON) hè stata cunsiderata cum'è una di e ceramiche più impurtanti in e cupole, finestre infrared è visibili, è armature trasparenti, etc [11-13]. Comparatu cù u zaffiro di cristallu unicu, chì hè ben cunnisciutu com'è a ceramica trasparente più dura, a ceramica policristallina AlON hà caratteristiche simili in forza, durezza è proprietà ottiche, ma offre più flessibilità in dimensione è forma [14,15]. Dunque, a ceramica AlON hà attiratu una investigazione crescente. γ-AlON è una soluzione solida di Al₂O₃ e AlN [16,17]. Parechji metudi sò stati esplorati per preparà AlON in polvere o ceramiche AlON, cum'è a reazione di u statu solidu [18], u metudu di carbonizazione per Al₂O₃ [19,20], a deposizione chimica di vapore [21], u metudu sol-gel [22,23], è sintesi di combustione di suluzione [24]. A banda gap di AlON hè stata misurata à 6.2 eV [25]. TU et al [26] anu impiegatu una teoria funziunale di densità di primi principii (DFT) per studià a preferenza in situ di Al vacante è Natoms in γ-AlON. U bandu di banda è u mudellu strutturale di u modulu di γ-AlON, cum'è a struttura lucale di l'Al₂₃O₂₇N₅ sò stati calculati per esse 3.99 eV di atomi N è vacanti Al in γ-AlON ùn hè micca è 200.9 GPa, rispettivamente. Data una banda larga chjara. E proprietà di γ-AlON sò affissate in gap inseme cù bassa energia di fotoni è alta Tabella 1 [14].

A stabilità termale, a ceramica AlON hè stata esplorata cum'è una matrice di fosforu. Cum'è un fosforu di fotoluminescenza di upconversion (UCPL), AlON pò esse drogatu cù diversi elementi di terra rara, cum'è Eu₂+ [27], Yb₃+ [28], Tm₃+ [29], è Ce₃+ [30]. Ricertamenti, i vetri basati nantu à l'AlON low-costu cumminatu cù a strata di 4-dimethyl-amino-N-methyl-4-stilbazoliumtosylate (DAST) [31] è un film sottile VO₂ nantu à l'AlON trasparente [32] sò stati trovati per avè. applicazione potenziale in smart windows. L'ALON (5) −DAST (90) −ALON (5) supera i vetri di finestra cummerciale standard di l'industria cù e rimarche di u più economicu, ligeru è duru [31]. Inoltre, u Ti6Al4V hè statu preparatu cù successu nantu à a ceramica AlON per mezu di un metudu di brasatura di elementi attivu, è u compostu mostrava proprietà meccaniche eccezziunali [33]. Si deve esse nutatu chì i novi additivi di sinterizzazione di H₃BO₃ [34] è elementi di terra (Sc, La, Pr, Sm, Gd, Dy, Er, è Yb) [35] eranu diffirenti di l'Y₂O₃, La₂O₃ è MgO cunvinziunali. Ancu s'è i metudi migliurati, novi additivi di sinterizzazione, elementi di terra più cumplessi di doping è applicazione fresca esplorata, etc., sò stati sviluppati in modu estensivu, un riassuntu sistematicu, miratu è aghjurnatu hè sempre mancante [11,13,36,37]. Inoltre, certi prublemi senza risolve è novi sfide di a ceramica AlON impediscenu a so prumuzione cummerciale è l'applicazione. Per quessa, stu articulu pigghia l 'ultimu è critica rivista di ceramica AlON trasparente in termini di metudi di preparazione, additivi sintering, tecnulugii sintering, i sfidi è prospettive di sviluppu.

  FIGURA 1

                  Tableau 1 Propriétés de γ-AlON [14]                          

AlON hà una struttura di spinel cubica cù un gruppu spaziale di Fd3m [38,39]. Comu mostra in Fig. 1 [40], l'atomi N è O sò situati in i siti 32e, è l'atomi Al sò situati in i siti 16d è 8a. Basatu nantu à i risultati sperimentali è teorichi

In u 1964, u primu diagramma di fasi di binariuAl₂O₃−A cumpusizioni AlN hè stata publicata da LEJUS [43]. Allora, MCCAULEY et al [44,45] hà riportatu un diagramma di equilibriu di fasi più cumpletu di a cumpusizioni pseudo-binary Al₂O₃−AlN sottu u nitrogenu chì scorri à 1.013 × 105 Pa, cum'è mostra in Fig. 2 [44]. In più di a determinazione sperimentale, i calculi, u mudellu di struttura anionica constante di AlON puderia esse descrittu da a formula di Al(64+x)/3V(8−x)/3O32−xNx, induve 2≤x≤5 [39−42]. Tuttavia, hè difficiule di cunfirmà a sensibilità chì certi circadori anu pruvatu à calculà a regione di stabilità AlON è u sistema pseudo-binariu Al₂O₃−AlN basatu annantu à i dati sperimentali è i dati termodinamici dispunibili di u diagramma di equilibriu di fasi [36,46-49] . In ogni casu, a segregazione di fasi chì succede in l'esperimenti ùn pò micca esse mudificata per via di l'infurmazioni menu spirimintali. 

FIGURA 2

Hè ben cunnisciutu chì a ceramica presenta granuli, cunfini di granu, è porosità, etc. (Fig. 3)[50,51]. Cumu l'hà dettu prima, a ceramica AlON pussede una struttura isotropica di lattice cubic, chì hè unu di i mutivi significativi chì ponu esse otticu trasparenti. Trà i fonti di sparghjera di luce, a porosità hè u fattore più impurtante per determinà se a ceramica pò esse trasparenti o micca. A porosità minimizante deve esse più grande di 99.9% di a densità teorica, è a dimensione di i pori à i cunfini di u granu deve esse più chjuca di a lunghezza d'onda di a luce o ùn deve esse micca. I cunfini di granu sò una presenza inevitabbile in a ceramica è anu un impattu considerableu nantu à a trasparenza. Allora, i cunfini di granu cù alta qualità è grani cù dimensioni più chjuche è uniformi sò previsti per ottene ceramica AlON di alta trasparenza. Utilizà l'additivi di sinterizazione pò generalmente eliminà i pori residuali durante a sinterizzazione, ma darà nascenu novi centri di scattering di luce in ceramica, a fase secundaria è l'inclusioni. Cum'è e duie fonti impurtanti di dispersione di luce, a porosità è e fruntiere di granu deve esse ridutta quant'è pussibule. SHAHBAZI et al [51] hà descrittu a ceramica trasparente, i parametri efficaci nantu à a trasparenza, a teoria di Mie è a teoria di Fraunhofer in dettaglio.

FIGURA 3 

Finu a data, parechji metudi sò stati rappurtati per preparà a putenza AlON o ceramica AlON, cum'è a reazione di u statu solidu [18,52−55], u metudu di carbonizazione da Al₂O₃ [19,56−61], a deposizione chimica di vapore [21,62]. ], è u metudu sol-gel [22,63]. A maiò parte di i studii anu focu annantu à a reazzione in u statu solidu di Al₂O₃ è AlN à una temperatura alta è u metudu di carbonizazione per a riduzione di Al₂O₃.

U metudu solidu hè un accostu simplice è convenzionale per a preparazione di parechji cumposti. Unu di i più grandi vantaghji di a reazione di u solidu à una temperatura alta hè chì a materia prima pò esse ottenuta senza sforzu. A reazione di Al₂O₃ è AlN per a furmazione di AlON pò esse qualificata cum'è 5AlN+9Al₂O₃→ Al₂₃O₂₇N₅[13,64]. I putenzi Al₂O₃ è AlN assai puri sò dispunibuli in u mercatu è ponu esse direttamente utilizati per fabricà puteri AlON o ancu e ceramiche AlON traslucide. A preparazione in un passu di a ceramica AlON pò micca solu riduce significativamente u costu di sinterizzazione, ma ancu simplificà u prucessu di sinterizazione è ancu ottene facilmente a produzzione à grande scala. In ogni casu, i polveri ponu esse aggregati o mischiati inhomogeneously, risultatu in a trasparenza povira di a ceramica AlON. Intantu, l'AlN ultrafine d'alta purezza hè caru, chì aumenta u costu di fabricazione. Comu mostra in Fig. 4(a), MCCAULEY et ORBIN [52] ont d'abord préparé le disque AlON translucide et ont présenté un diagramme de phase à haute température affiné de l'AlON le long de l'articulation pseudo-ordinaire de la composition Al₂O₃−AlN. U prucessu di sinterizazione in fase liquida hè stata impiegata per pruduce ceramiche AlON trasparenti da PATEL et al [65]. L'α-Al₂O₃ dans l'intervalle de 27-30 mol.% a été d'abord mélangé avec AlN. Allora, a mistura hè stata pressata in pellets dopu a molitura di palla. I pellets sò stati sinterizzati à 1950-2025 ° C per 10-60 min, è i materiali partiti puderanu formà una fase liquida per prumove a sinterizzazione in questa fase. Dopu, a temperatura di u sistema hè cascata da 50-100 ° C è hè stata mantinuta per un'altra 8-20 h per migliurà a densità è a trasparenza. CHEN et al [66] prima sintetizzatu una fase di purità AlON:Ce3+ putenza à 1780 °C in nitrogenu, poi a ceramica AlON:Ce3+ piena è densa è trasparente hè stata ottenuta da una sinterizzazione senza pressione assistita da fase liquida à 1900 °C per 20 h. (Fig. 4 (a) è (b)). In più di a sintesi diretta di u metudu utilizatu per preparà e polveri AlON è poi a ceramica AlON traslucida da un statu solidu impiegatu per pruduce ceramica AlON. U metudu maiò, LI et al [67] utilizatu polveri Al₂O₃ è AlN vantaghju di stu metudu si trova in u prezzu bassu di a materia prima per sintetizà rapidamente materie prime monofase è a fattibilità per i puteri industriali AlON prima via un statu solidu. metudu. Allora, pruduzzione. Tuttavia, e cundizioni di sinterizzazione sò i polveri AlON preparati sò stati macinati in cumplessu fini, è hè difficiule di cuntrullà precisamente i polveri AlON mole, cum'è mostra in Figs. 4 (d) è (e). U rapportu di Al₂O₃ à C, è l'AlON hè facilmente trasparente A ceramica AlON hè stata prodotta da decomposta in Al₂O₃ è AlN in a frittazione N2pressureless l'atmosfera fine di AlON ottenuta à alta temperatura. Tutte queste polveri, è a trasmittanza in-linea di l'AlON puderanu risultatu in polveri AlON impure. La céramique était aussi élevée que 84.3% (d100 mm × 1 mm) à JIN et al [68] ont d'abord fabriqué un Al₂O₃ / 3.7 μm (Figs. 4 (f) è (g)).

FIGURA 4 

A riduzzione carbotermica è a mistura di nitrurazione carbotermica, cum'è mostra in Figs. 5 (a-c). Duranti u prucessu, l'approcciu di a strata di carbone (CRN) hè stata prima utilizata per pruduce nantu à a superficia di particella Al₂O₃ hè stata trovata à forte u compostu di AlON da YAMAGUCHI è ritardà a coalescenza è a crescita di l'Al₂O₃ YANAGIDA in 1959 [39]. U CRN hè a più particella. Infine, a ceramica AlON trasparente cù a trasmittanza massima in linea sopra à 80% à 2000 nm pò esse ottinutu da u metudu di nitrudazione carbothermal in dui passi in nitrogenu à 1950 ° C per 8 h (Fig. 5 (d)). SHAN et al [69] anu signalatu chì sia una polvere bimodale (~ 1.1 μm è ~ 2.2 μm) è unimodale (~ 1.1 μm) AlON puderanu esse ottenute utilizendu un mulinu à sfera di a polvere AlON cum'è preparatu via u metudu CRN ( Figuri 5 (e) è (f)). Anu trovu chì u polveru AlON cù distribuzione di particella bimodale (PSD) pussede una densificazione rapida durante u prucessu di sinterizzazione, è eccellenti ceramiche AlON trasparenti cù una trasmissione infrarossa finu à 82.1% à ~ 3600 nm hè stata sinterizzata senza pressione in nitrogenu à 1820 ° C per 2.5 h. (Fig. 5(g))

FIGURA 5

I pulveri fini è puri di γ-AlON sò stati preparati cù successu da YUAN et al [70] via un metudu cumminativu (Figs. 6 (a) è (b)). Anu ancu utilizatu i pulveri γ-AlON per pruduce ceramica AlON è studiavanu l'effettu di e lamelle gemelle nantu à a so forza meccanica (Figs. 6 (c-j)) [71]. Anu trovu chì i lamelle gemelli è e fruntiere suscitanu cù l'aumentu di u granu mediu di granu in a ceramica AlON di grande dimensione, chì furnisce un approcciu promettente per rinfurzà a ceramica trasparente cù grani grossi. 

Finu à avà, ci sò ancu altri metudi esplorati per sintetizà a polvera AlON o a ceramica. Par exemple, ASPAR et al [62] ont préparé le composé AlON à l'aide d'ammoniaque, de triméthylaluminium et d'oxyde nitreux par dépôt chimique en phase vapeur.estensione CVD) metudu. Hè statu trovu chì a temperatura è a pressione anu un effettu significativu nantu à e cumpusizioni di equilibriu mudificà a quantità di CO presente. IRENE et al [21] anu ancu applicatu u metudu CVD per pruduce film AlxOyNz nantu à siliciu. Impurtante, a fase pò esse cuntrullata aghjustendu u rapportu di gas NH₃ / CO₂ è a temperatura di preparazione KIM et al [72] hà sviluppatu un approcciu basatu di sol-gel à bassa temperatura per ottene un sistema Al-ON, ancu s'ellu pò esse difficiule di trattà. u nitruru precursore di hydrazine in stu prucessu. Alcuni altri agenti di nitrurazione sò stati esplorati in a so investigazione ulteriore. KIKKAWA et al [73] anu fabricatu AlON per via di a nitrazione di ammoniacu di un precursore d'ossidu, chì hè statu pruduttu da peptizing un gel di glicina cù u nitratu d'aluminiu. Inoltre, un reattore di plasma hè statu cuncepitu per sintetizà nanopolveri AlON secondu l'interazzione di polveri d'Al cù l'ammonia è l'aria in un plasma di nitrogenu termale [74] A fase, a cumpusizioni chimica è a dispersione di i nanopolveri preparati sò correlati cù u paràmetri di prucessu di plasma è u disignu di u reattore.

Per ottene ceramica AlON d'alta trasparenza, l'additivi di sinterizzazione deve esse aghjuntu per eliminà i pori residuali durante a sinterizzazione, chì sò u centru di scattering di a luce. Oghje, diversi additivi di sinterizzazione per AlON, cum'è Y₂O₃, La₂O₃, MgO, SiO₂, è CaCO₃, sò stati largamente investigati [67-69,75-80]. Sicondu i tipi di l'additivi di sinterizzazione, avemu riassuntu i risultati tipici di trasparenza di a ceramica AlON cù diversi additivi di sinterizzazione, cum'è mostra in a Tabella 2. Per esempiu, SHAN et al [69] hà dettu chì a transmittance in-line di ceramica AlON (3) mm di spessore) è 82.1% a una lunghezza d'onda di 3600 nm con 0.5% in peso Y₂O₃. SiO₂ hè stata prima impiegata cum'è l'additivu di sinterizzazione per a ceramica AlON (Fig. 7 (b)) [76]. Anu trovu chì a trasmittanza in linea di ceramica AlON hè finu à 86% (3.5 mm di spessore) à 2000 nm è ùn hè micca sensibile à a cuncentrazione di l'additivu cù 0.15-0.55 wt.% SiO2. Certi circadori usatu dui tipi di additivi sintering à pruduce ceramica AlON high-trasparente. WANG et al [81] anu utilizatu 0.12wt.% Y₂O₃-0.09wt.% La₂O₃ cum'è co-additivi per a ceramica AlON, ottenendu una transmittance di 80.3% (2 mm in thickness) à 400 nm (Fig. 7(a)) . Hanu infurmatu chì Y₃+ è La₃+ anu un effettu sinergicu nantu à a crescita di granu cù l'Y₃+ migliurà a mobilità di u cunfini di granu è prumove a crescita di granu mentre chì u La₃+ inibisce a crescita di granu. JIN et al [68] sinterizzate ceramiche AlON impiegando tre tipi di additivi di sinterizzazione senza pressione, composte da 0.1% in peso di MgO, 0.08% in peso di Y₂O₃, e 0.025% in peso di La₂O₃, è ottenuta una trasmissione di 81% (1 mm). spessore) à 1100 nm. Ricertamenti, Y₂O₃−La₂O₃− MnO cum'è un additivu di sinterizazione compostu per fabricà a ceramica trasparente AlON hè stata investigata da WANG et al [81] (Fig. 7 (d)). I limiti di solubilità di l'additivi di sinterizzazione in AlON sò stati studiati da MILLER è KAPLAN [82] utilizendu spettroscopia dispersiva di lunghezza d'onda montata nantu à un microscopiu elettronicu à scanning. Anu trovu chì i limiti di solubilità di La, Y, è Mg in AlON à 1870 ° C eranu (498±82) × 10−6, (1775±128) × 10−6, è> 4000 × 10−6, rispettivamente. 

FIGURA 6

In più di l'additivi di sinterizzazione convenzionali di Y₂O₃, La₂O₃, è MgO, sò stati ancu investigati novi additivi di sinterizzazione di compostu ternariu basatu in H₃BO₃ [34] è elementi di terra [35]. Comu illustratu in Figs. 8 (a) è (b), diversi elementi di terra rara (Sc, La, Pr, Sm, Gd, Dy, Er è Yb) sò stati sistematicamente esplorati cum'è additivu di sinterizzazione per ceramica AlON trasparente, rispettivamente. Hè statu trovu chì a ceramica AlON cù 0.1 wt.% Pr-nitrate presentava a trasmittanza più alta di ~ 80% da sinterizazione senza pressione in dui passi (Fig. 8 (c)), chì indicanu chì l'elementi di terra rara pò esse una sinterizzazione alternativa promettente. additivu. Più recentemente, utilizendu un Y₂O₃−MgAl₂O₄−H₃BO₃ cum'è additivu di co-sintering, YANG et al [34] anu ottenutu ceramica AlON cù una trasmissione di 81% (4 mm di spessore) à 600 nm per sinterizzazione reattiva in un passu quandu u H₃BO₂. u cuntenutu era 0.12% in peso (Fig. 8 (d)). 

FIGURA 7

      Tabella 2 Risultati di trasparenza di ceramica AlON cù diversi additivi di sinterizzazione

Prima di a sinterizzazione, i pellets verdi di i polveri AlON sò generalmente furmati da un prucessu seccu, cumpresa una pressa uniaxial sottu pressione è pressa isostatica fredda, o da un prucessu umitu, cumpresu gel-casting [8,63,83]. Parechje tecnulugia di sinterizzazione sò state esplorate per preparà a ceramica AlON, cum'è a sinterizzazione senza pressione [56,58,67,68,77,79], a sinterizzazione in vacuum [65], a pressa calda [84], a sinterizzazione in microonde [85,86], sinterizzazione al plasma a scintilla [87−89] e pressatura isostatica a caldo [75,76,78,90,91]. I vantaghji è i disadvantages di i metudi di preparazione cumuni di a ceramica AlON sò mostrati in a Tabella 3. A sinterizzazione senza pressione hè a tecnulugia di sinterizazione più tradiziunale è hè costu-effective per a produzzione massiva di ceramica AlON cù diverse dimensioni è forme. Tuttavia, l'alta temperatura di sinterizzazione, u tempu di sinterizazione longu è l'additivi di sinterizzazione sò generalmente necessarii per ottene a ceramica AlON altamente trasparente. LI et al [67] anu riportatu un gran numaru di ceramiche AlON trasparenti cù dimensioni di d100 mm × 1 mm per sinterizzazione senza pressione à 1950 ° C per 12 h sottu atmosfera N2 fluente in un furnace di grafite. A trasmittanza in linea di a ceramica AlON (1 mm di spessore) hè di 84.3% à una lunghezza d'onda di 3.7 μm cù 0.5% in peso Y₂O₃. A sinterizzazione in vacuum hè una tecnulugia di sinterizzazione efficace per eliminà u gasu da a ceramica [92]. PATEL et al [65] anu utilizatu puteri Al2O3 è AlN d'alta purezza cum'è a materia prima per fabricà a ceramica AlON traslucida à 2000 ° C per 8 h è 32 MPa di pressione sottu pressa calda, dopu à 1900 ° C per più di 8. h in un vacu. A sinterizzazione di pressa calda (HP) pò esse impiegata per applicà pressione assiale per accelerà u muvimentu di i puteri è rende a pellet verde cumpletamente densa à una temperatura relativamente bassa. Ma a sinterizzazione HP ùn hè micca adattatu per preparà campioni grandi è cumplessi, è a produzzione hè altu costu, è impurità è difetti ponu esse inevitabbilmente introduttu. Un prucessu post-annealing hè necessariu per sguassà a contaminazione di carbone [8]. TAKEDA et HOSAKA [84] ont obtenu une céramique λ-AlON transparente à 1900 °C pendant 1 h et 20 MPa de pression sous presse à chaud. A sinterizzazione à microonde pussede alta efficienza energetica, risparmiu di costi, temperatura di sinterizzazione bassa, reazione rinfurzata è velocità di sinterizzazione. In u prucessu di micru, l'energia di micru cunvertita pò calà in u voluminu di mostra stessu. CHENG et al [85] anu risentitu chì l'AlON sinterizatu à 1800 ° C per 1 h durante u prucessu di micru hà una trasmissione tutale di 60%. A sinterizzazione di plasma Spark (SPS), chjamata ancu a sinterizzazione di corrente elettrica pulsata, pò realizà ceramica densa trasparente cù grani fini per via di u so brevi tempu di sinterizzazione è a bassa temperatura cù l'aiutu di DC pulsata sottu pressione. Dunque, a crescita di granu pò esse ridutta. SHAN et al [87] pruducianu ceramiche AlON altamente trasparenti da SPS à a bassa temperatura di 1600 ° C è i tassi di riscaldamentu veloce di 50-250 ° C / min sottu a pressione di 60 MPa. A trasmittanza massima di a ceramica AlON cum'è ottenuta (1.4 mm di spessore) hè 80.6%. 

FIGURA 8

Table 3 Vantaghji è disadvantages di i metudi di preparazione cumuni di ceramica AlON

 pressatura isostatica a caldo (HIP) hè a tecnulugia di sinterizzazione più putente per ottene a densità massima è a ceramica di trasmissione ottica high-end riducendu infine i pori residuali in ceramica [8,11,93,94]. Durante a sinterizzazione à alta temperatura, l'equipaggiu HIP pò esse appiicatu da a pressione di gas isostatic. A Figura 9 mostra u schema schematicu di u mudellu di microstruttura per l'eliminazione di pori da HIP [8,95]. Normalmente, hè significativamente difficiule di eliminà i pori residuali da altre tecnulugia di sinterizzazione. Un procedimentu HIP supplementu hè necessariu per eliminà i pori residuali è aumentà a densità è a trasmittanza assai vicinu à u valore teoricu. 

FIGURA 9

Stu travagliu hè statu sustinutu da u Jiangxi Provincial Science Natural Science Foundation, China (N ° 20192BAB216009), u Prughjettu di pianificazione di Scienza è Tecnulugia di Pruvincia di Hunan, Cina (N ° 2019WK2051), è Science and Technology Project di Changsha, Hunan, China (No. kh2003023).