Nedavni napredak i izazovi transparentne AlON keramike

Keramika i njezini kompoziti naširoko su istraživani za različite primjene zbog svojih jedinstvenih kemijskih i fizičkih svojstava [1-7]. Među njima, transparentna keramika ima široku primjenu u poslovnoj domeni i vojnoj industriji zbog svojih izvanrednih optičkih, fizikalnih i mehaničkih svojstava [8-10]. Među prozirnom keramikom, prozirna aluminijeva oksinitridna (AlON) keramika smatra se jednom od najvažnijih keramika u kupolama, infracrvenim i vidljivim prozorima, prozirnim oklopima itd. [11-13]. U usporedbi s monokristalnim safirom, koji je poznat kao najtvrđa transparentna keramika, polikristalna AlON keramika ima slične karakteristike čvrstoće, tvrdoće i optičkih svojstava, ali nudi veću fleksibilnost u veličini i obliku [14,15]. Stoga je AlON keramika privukla sve više istraživanja. γ-AlON je čvrsta otopina Al₂O16,17 i AlN [18]. Istraživane su mnoge metode za pripremu AlON praha ili AlON keramike, kao što je reakcija u čvrstom stanju [19,20], metoda karbonizacije za Al21O22,23 [24], kemijsko taloženje iz pare [6.2], sol-gel metoda [25], i sinteza izgaranjem u otopini [26]. Izmjereno je da je zabranjeni pojas AlON iznosio 3.99 eV [200.9]. TU i suradnici [1] upotrijebili su funkcionalnu teoriju gustoće prvog principa (DFT) za proučavanje preferencija slobodnih mjesta Al i Natoma u γ-AlON na licu mjesta. Strukturni model zazora pojasa i volumenskog modula γ-AlON, budući da je lokalna struktura Al₂14O₂₇NXNUMX izračunato da iznosi XNUMX eV atoma N, a slobodnih mjesta Al u γ-AlON nije, odnosno XNUMX GPa. S obzirom na širok pojas jasno. Svojstva γ-AlON prikazana su u praznini zajedno s niskom energijom fotona i visokom Tablica XNUMX [XNUMX].

Termička stabilnost, AlON keramika je istražena kao fosforna matrica. Kao fotoluminiscencijski (UCPL) fosfor, AlON se može dopirati raznim elementima rijetke zemlje, kao što su Eu₂+ [27], Yb28+ [29], Tm30+ [4] i Ce4+ [31]. Nedavno je utvrđeno da stakla temeljena na jeftinom AlON-u u kombinaciji sa slojem 32-dimetil-amino-N-metil-5- stilbazoliumtosilata (DAST) [90] i tankim filmom VO₂ na prozirnom AlON-u [5] imaju potencijalnu primjenu u pametnim prozorima. ALON(31)−DAST(6)−ALON(4) nadmašuje industrijske standardne komercijalne prozorske naočale s primjedbama najjeftinije, lagane i najčvršće [33]. Nadalje, Ti34Al35V je uspješno pripremljen na AlON keramici metodom lemljenja aktivnim elementom, a kompozit je pokazao izvanredna mehanička svojstva [11,13,36,37]. Treba napomenuti da su se novi dodaci za sinteriranje HXNUMXBOXNUMX [XNUMX] i zemljanih elemenata (Sc, La, Pr, Sm, Gd, Dy, Er i Yb) [XNUMX] razlikovali od konvencionalnih Y₂OXNUMX, LaXNUMXOXNUMX i MgO. Iako su poboljšane metode, novi aditivi za sinteriranje, složenije dopiranje zemljanih elemenata i svježe istražene primjene itd. opsežno razvijeni, još uvijek nedostaje sustavni, ciljani i ažurni sažetak [XNUMX]. Nadalje, neki neriješeni problemi i novi izazovi AlON keramike otežavaju njihovu komercijalnu promociju i primjenu. Stoga ovaj članak donosi najnoviji i kritički pregled transparentne AlON keramike u smislu metoda pripreme, dodataka za sinteriranje, tehnologija sinteriranja, izazova i perspektiva razvoja.

  SLIKA 1

                  Tablica 1. Svojstva γ-AlON [14]                          

AlON ima strukturu kubičnog spinela s prostornom grupom Fd3m [38,39]. Kao što je prikazano na slici 1 [40], atomi N i O nalaze se na mjestima 32e, a atomi Al nalaze se na mjestima 16d i 8a. Na temelju eksperimentalnih rezultata i teoretskih

Godine 1964. prvi fazni dijagram binarnogAl₂OXNUMX−AlN sastav objavio je LEJUS [43]. Zatim su MCCAULEY i suradnici [44,45] izvijestili o potpunijem dijagramu fazne ravnoteže pseudo-binarnog sastava Al₂O1.013−AlN pod strujanjem dušika pri 105×2 Pa, kao što je prikazano na slici 44 [XNUMX]. Osim eksperimentalnog određivanja, proračuna, model konstantne anionske strukture AlON-a može se opisati formulom Al(64+x)/3V(8−x)/3O32−xNx, gdje je 2≤x≤5 [39−42]. Međutim, teško je potvrditi da su neki istraživači pokušali izračunati područje stabilnosti AlON i pseudo-binarni sustav Al₂O36,46−AlN na temelju eksperimentalnih podataka i dostupnih termodinamičkih podataka dijagrama fazne ravnoteže [49−XNUMX] . Međutim, razdvajanje faza koje se događa u eksperimentima još uvijek se ne može modificirati zbog manje eksperimentalnih informacija. 

SLIKA 2

Dobro je poznato da keramika ima zrna, granice zrna i poroznost itd. (Sl. 3)[50,51]. Kao što je već spomenuto, AlON keramika posjeduje izotropnu kubičnu rešetkastu strukturu, što je jedan od značajnih razloga zašto mogu biti optički transparentne. Među izvorima raspršenja svjetlosti, poroznost je najvažniji faktor koji određuje može li keramika biti prozirna ili ne. Minimizirajuća poroznost trebala bi biti veća od 99.9% teorijske gustoće, a veličina pora na granicama zrna trebala bi biti manja od valne duljine svjetlosti ili ne bi trebala postojati. Granice zrna su neizbježna pojava u keramici i imaju značajan utjecaj na prozirnost. Dakle, očekuje se da granice zrna visoke kvalitete i zrna manjih i ujednačenih veličina daju AlON keramiku visoke prozirnosti. Korištenje aditiva za sinteriranje obično može eliminirati zaostale pore tijekom sinteriranja, ali će dovesti do novih centara raspršenja svjetlosti u keramici, sekundarnoj fazi i inkluzijama. Kao dva važna izvora raspršenja svjetlosti, poroznost i granice zrna treba smanjiti što je više moguće. SHAHBAZI i suradnici [51] detaljno su opisali prozirnu keramiku, efektivne parametre prozirnosti, Mieovu teoriju i Fraunhoferovu teoriju.

SLIKA 3 

Do danas su objavljene mnoge metode za pripremu AlON snage ili AlON keramike, kao što je reakcija u čvrstom stanju [18,52−55], metoda karbonizacije iz Al₂O19,56[61−21,62], kemijsko taloženje iz pare [22,63 ] i sol−gel metoda [XNUMX]. Većina studija bila je usmjerena na reakciju čvrstog stanja AlXNUMXOXNUMX i AlN na visokoj temperaturi i metodu karbonizacije za redukciju AlXNUMXOXNUMX.

Metoda čvrstog stanja je jednostavan i konvencionalan pristup za pripremu mnogih spojeva. Jedna od najvećih prednosti reakcije u čvrstom stanju na visokoj temperaturi je da se sirovine mogu dobiti bez napora. Reakcija Al5O9 i AlN za stvaranje AlON može se opisati kao 13,64AlN+XNUMXAlXNUMXOXNUMX→ AlXNUMXO₂₇NXNUMX[XNUMX]. Visoko čisti Al₂O₃ i AlN izvori dostupni su na tržištu i mogu se izravno koristiti za izradu AlON izvora ili čak prozirne AlON keramike. Priprema AlON keramike u jednom koraku ne samo da može značajno smanjiti troškove sinteriranja, već i pojednostaviti proces sinteriranja, kao i lako postići proizvodnju velikih razmjera. Međutim, prašci mogu biti agregirani ili nehomogeno pomiješani, što rezultira slabom prozirnošću AlON keramike. U međuvremenu, ultrafini AlN visoke čistoće je skup, što povećava troškove proizvodnje. Kao što je prikazano na Sl. Na slici 4(a), MCCAULEY i ORBIN [52] prvo su pripremili prozirni AlON disk i predstavili pročišćeni visokotemperaturni fazni dijagram AlON-a duž spoja pseuordinarnog sastava Al₂OXNUMX−AlN. PATEL i suradnici upotrijebili su postupak sinteriranja u tekućoj fazi za proizvodnju prozirne AlON keramike [65]. α- Al₂O27 u rasponu od 30-XNUMX mol.% prvo je pomiješan s AlN. Zatim je smjesa prešana u pelete nakon kugličnog mljevenja. Kuglice su sinterirane na 1950−2025 °C tijekom 10−60 minuta, a dijelovi materijala mogli su formirati tekuću fazu kako bi pospješili sinteriranje u ovoj fazi. Zatim je temperatura sustava pala za 50-100 °C i održavana je još 8-20 h kako bi se dodatno poboljšala gustoća i prozirnost. CHEN i suradnici [66] prvo su sintetizirali fazu čistog AlON:Ce3+ snage na 1780 °C u dušiku, zatim je puna gusta i prozirna AlON:Ce3+ keramika postignuta sinteriranjem bez pritiska uz pomoć tekuće faze na 1900 °C tijekom 20 sati (sl. 4(a) i (b)). Osim izravne sinteze korištene metode za pripremu AlON praha, a zatim i prozirne AlON keramike pomoću čvrstog stanja koja se koristi za proizvodnju AlON keramike. Glavna metoda, LI i suradnici [67] koristili su prahove Al₂OXNUMX i AlN. Prednost ove metode leži u niskoj cijeni sirovina za brzu sintezu jednofaznih sirovina i izvedivosti za industrijsku energiju AlON prvenstveno putem čvrstog stanja metoda. Zatim, proizvodnja. Međutim, uvjeti sinteriranja su da su pripremljeni prahovi AlON samljeveni u fini kompleks i teško je precizno kontrolirati mol prahova AlON, kao što je prikazano na sl. 4(d) i (e). Omjer Al₂O2 i C, a AlON je lako proziran AlON keramika je proizvedena razgradnjom na AlXNUMXOXNUMX i AlN u NXNUMX sinteriranjem bez pritiska dobivene fine atmosfere AlON na visokoj temperaturi. Svi ovi praškovi i inline transmisija AlON-a mogu rezultirati nečistim AlON prahovima. keramika je iznosila čak 84.3% (d100 mm × 1 mm) kod JIN-a i suradnika [68] koji su prvo proizveli Al3.7OXNUMX / XNUMX μm (sl. 4(f) i (g)).

SLIKA 4 

Smjesa za karbotermalnu redukciju i nitridaciju, kao što je prikazano na sl. 5(a−c). Tijekom procesa, pristup ugljikovog sloja (CRN) je prvi put korišten za proizvodnju na površini čestica Al1959O39, a YAMAGUCHI je otkrio da jako pojačava spoj AlON i usporava koalescenciju i rast Al80O2000 YANAGIDA 1950. [8]. CRN je najviše čestica. Konačno, prozirna AlON keramika s maksimalnom in-line propusnošću iznad 5% na 69 nm može se postići metodom karbotermalne nitridacije u dva koraka u dušiku na 1.1 °C tijekom 2.2 sati (Slika 1.1(d)). SHAN i suradnici [5] izvijestili su da se i bimodalni (~82.1 µm i ~3600 µm) i unimodalni (~1820 µm) prahovi AlON mogu dobiti korištenjem kugličnog mlina pripremljenog praha AlON putem CRN metode ( Slike 2.5(e) i (f)). Otkrili su da AlON prah s bimodalnom raspodjelom veličine čestica (PSD) ima brzo zgušnjavanje tijekom procesa sinteriranja, a izvrsna prozirna AlON keramika s do 5% infracrvene propusnosti na ~XNUMX nm sinterirana je bez pritiska u dušiku na XNUMX °C tijekom XNUMX h (Slika XNUMX(g))

SLIKA 5

Fine i čiste γ-AlON prahove uspješno su pripremili YUAN i suradnici [70] pomoću kombinirane metode (slike 6(a) i (b)). Nadalje su koristili γ-AlON prahove za proizvodnju AlON keramike i proučavali učinak dvostrukih lamela na njihovu mehaničku čvrstoću (Slike 6(c−j)) [71]. Otkrili su da se dvostruke lamele i granice podižu s povećanjem prosječne veličine zrna u AlON keramici velikih dimenzija, što je pružilo obećavajući pristup poboljšanju prozirne keramike s velikim zrnima. 

Do sada su istražene i druge metode za sintetiziranje AlON praha ili keramike. Na primjer, ASPAR et al [62] pripremili su spoj AlON koristeći amonijak, trimetilaluminij i dušikov oksid kemijskim taloženjem iz pare (KVB) metoda. Utvrđeno je da temperatura i tlak imaju značajan utjecaj na ravnotežne sastave mijenjanjem količine prisutnog CO. IRENE i suradnici [21] također su primijenili CVD metodu za proizvodnju AlxOyNz filmova na siliciju. Važno je da se faza može kontrolirati podešavanjem omjera plina NH72/CO73 i temperature pripreme. KIM i suradnici [74] razvili su pristup baziran na niskotemperaturnom sol-gelu za dobivanje Al-ON sustava, iako može biti teško rukovati nitridni prekursor hidrazina u ovom procesu. Neka druga sredstva za nitriranje istražena su u daljnjem istraživanju. KIKKAWA i suradnici [XNUMX] proizveli su AlON nitriranjem amonijakom prekursora oksida, koji je proizveden peptizacijom glicinskog gela s aluminijevim nitratom. Uz to, dizajniran je plazma reaktor za sintetiziranje AlON nanoprahova prema interakciji Al praha s amonijakom i zrakom u toplinskoj dušičnoj plazmi [XNUMX]. Fazni, kemijski i disperzni sastavi pripremljenih nanoprahova koreliraju s parametri plazma procesa i dizajn reaktora.

Za dobivanje AlON keramike visoke prozirnosti potrebno je dodati aditive za sinteriranje kako bi se uklonile zaostale pore tijekom sinteriranja, koje su središte raspršenja svjetlosti. Danas su naširoko istraženi različiti aditivi za sinteriranje za AlON, kao što su Y₂O67, La69,75O80, MgO, SiO₂ i CaCO2 [69-3-82.1]. Prema vrstama dodataka za sinteriranje, saželi smo tipične rezultate prozirnosti AlON keramike s različitim dodacima za sinteriranje, kao što je prikazano u tablici 3600. Na primjer, SHAN et al [0.5] izvijestili su da je linijska propusnost AlON keramike (7 mm debljine) je 76% na valnoj duljini od 86 nm s 3.5 tež.% Y₂O2000. SiO₂ je prvo korišten kao aditiv za sinteriranje za AlON keramiku (slika 0.15(b)) [0.55]. Otkrili su da je in-line propusnost AlON keramike do 2% (81 mm debljine) na 0.12 nm i nije osjetljiva na koncentraciju aditiva s 0.09-80.3 wt.% SiO2. Neki su istraživači koristili dvije vrste aditiva za sinteriranje za proizvodnju visoko prozirne AlON keramike. WANG i suradnici [400] koristili su 7 wt.% Y₂O68−0.1 wt.% La0.08O0.025 kao pomoćne aditive za AlON keramiku, postigavši ​​propusnost od 81% (1 mm debljine) na 1100 nm (Slika 81(a)) . Izvijestili su da Y7+ i La82+ imaju sinergistički učinak na rast zrna pri čemu Y1870+ poboljšava pokretljivost granica zrna i potiče rast zrna, dok La498+ inhibira rast zrna. JIN i suradnici [82] sinterirali su AlON keramiku korištenjem tri vrste aditiva za sinteriranje bez pritiska, sastavljenih od 10 tež. % MgO, 6 tež. % Y₂O1775 i 128 tež. % La10O6, i postigli su propusnost od 4000 % (10 mm u debljina) na 6 nm. Nedavno su WANG et al [XNUMX] istraživali Y₂OXNUMX−La₂OXNUMX− MnO kao kompozitni aditiv za sinteriranje za izradu prozirne AlON keramike (Sl. XNUMX(d)). Granice topljivosti aditiva za sinteriranje u AlON-u proučavali su MILLER i KAPLAN [XNUMX] pomoću spektroskopije disperzije valne duljine postavljene na skenirajućem elektronskom mikroskopu. Otkrili su da su granice topljivosti La, Y i Mg u AlON na XNUMX °C bile (XNUMX±XNUMX)×XNUMX−XNUMX, (XNUMX±XNUMX)×XNUMX−XNUMX, odnosno >XNUMX×XNUMX−XNUMX. 

SLIKA 6

Uz konvencionalne dodatke za sinteriranje Y₂O34, La₂O35 i MgO, također su istraženi novi dodaci za sinteriranje ternarnog kompozita na bazi H8BO0.1 [80] i zemljanih elemenata [8]. Kao što je prikazano na sl. 34(a) i (b), različiti elementi rijetke zemlje (Sc, La, Pr, Sm, Gd, Dy, Er i Yb) sustavno su istraživani kao aditiv za sinteriranje prozirne AlON keramike. Utvrđeno je da je AlON keramika s 81 wt.% Pr-nitrata pokazala najveću propusnost od ~4% sinteriranjem bez pritiska u dva koraka (Sl. 600(c)), što ukazuje da elementi rijetke zemlje mogu biti obećavajuća alternativa sinteriranju aditiv. U novije vrijeme, koristeći Y₂O0.12−MgAl₂O₄−H₃BOXNUMX kao aditiv za kosinteriranje, YANG i suradnici [XNUMX] dobili su AlON keramiku s propusnošću od XNUMX% (XNUMX mm debljine) na XNUMX nm reaktivnim sinteriranjem u jednom koraku kada je H₃BOXNUMX sadržaj je bio XNUMX tež.% (Slika 8(d)). 

SLIKA 7

      Tablica 2. Rezultati prozirnosti AlON keramike s različitim dodacima za sinteriranje

Prije sinteriranja, zelene kuglice praha AlON obično se formiraju suhim postupkom, uključujući jednoosno prešanje pod tlakom i hladno izostatičko prešanje, ili mokrim postupkom, uključujući lijevanje u gel [8,63,83]. Istraživane su mnoge tehnologije sinteriranja za pripremu AlON keramike, kao što je sinteriranje bez pritiska [56,58,67,68,77,79], vakuumsko sinterovanje [65], vruće prešanje [84], mikrovalno sinterovanje [85,86], sinteriranje plazmom iskre [87−89] i vruće izostatičko prešanje [75,76,78,90,91]. Prednosti i nedostaci uobičajenih metoda pripreme AlON keramike prikazani su u tablici 3. Sinteriranje bez pritiska je najtradicionalnija tehnologija sinteriranja i isplativa je za masovnu proizvodnju AlON keramike različitih veličina i oblika. Međutim, visoka temperatura sinteriranja, dugo vrijeme sinteriranja i aditivi za sinteriranje općenito su potrebni za dobivanje visoko prozirne AlON keramike. LI i suradnici [67] izvijestili su o velikom broju prozirnih AlON keramika dimenzija d100 mm × 1 mm sinteriranjem bez pritiska na 1950 °C tijekom 12 sati u atmosferi N2 u grafitnoj peći. In-line propusnost AlON keramike (1 mm debljine) je 84.3% na valnoj duljini od 3.7 μm s 0.5 wt.% Y₂O92. Vakuumsko sinteriranje je učinkovita tehnologija sinteriranja za uklanjanje plina iz keramike [65]. PATEL i suradnici [2] koristili su Al3O2000 i AlN visoke čistoće kao sirovine za izradu prozirne AlON keramike na 8 °C tijekom 32 h i 1900 MPa tlaka pod vrućim prešanjem, nakon čega su na 8 °C više od 8 sati. h u vakuumu. Sinteriranje vrućim prešanjem (HP) može se upotrijebiti za primjenu aksijalnog pritiska kako bi se ubrzalo kretanje snaga i učinila zelenu peletu potpuno gustoćom na relativno niskoj temperaturi. Ali HP sinteriranje nije prikladno za pripremu velikih i složenih uzoraka, a proizvodnja je visoka, a neizbježno se mogu uvesti nečistoće i nedostaci. Za uklanjanje kontaminacije ugljikom potreban je postupak naknadnog žarenja [84]. TAKEDA i HOSAKA [1900] su dobili prozirnu λ-AlON keramiku na 1 °C tijekom 20 sata i tlaku od XNUMX MPa pod vrućim prešanjem. Mikrovalno sinteriranje ima visoku energetsku učinkovitost, uštedu troškova, niska temperatura sinteriranja, pojačana reakcija i brzina sinteriranja. U mikrovalnom procesu, pretvorena mikrovalna energija može se zagrijati unutar samog volumena uzorka. CHENG i suradnici [85] zamjerali su da AlON sinteriran na 1800 °C tijekom 1 sata tijekom mikrovalnog procesa ima ukupnu transmisiju od 60%. Plazma sinteriranje s iskrom (SPS), koje se naziva i sinteriranje pulsirajućom električnom strujom, može realizirati gustu prozirnu keramiku s finim zrnima zbog kratkog vremena sinteriranja i niske temperature uz pomoć pulsirajuće istosmjerne struje pod tlakom. Dakle, rast zrna može biti smanjen. SHAN i suradnici [87] proizveli su visokotransparentnu AlON keramiku SPS-om na niskoj temperaturi od 1600 °C i brzim brzinama zagrijavanja od 50−250 °C/min pod tlakom od 60 MPa. Maksimalna propusnost dobivene AlON keramike (1.4 mm debljine) je 80.6%. 

SLIKA 8

Tablica 3. Prednosti i nedostaci uobičajenih metoda pripreme AlON keramike

 Vruće izostatičko prešanje (HIP) je najmoćnija tehnologija sinteriranja za postizanje maksimalne gustoće i vrhunske optičke prijenosne keramike krajnjim smanjenjem zaostalih pora u keramici [8,11,93,94]. Tijekom visokotemperaturnog sinteriranja, HIP oprema se može primijeniti izostatičkim tlakom plina. Slika 9 prikazuje shematski dijagram modela mikrostrukture za uklanjanje pora pomoću HIP [8,95]. Obično je značajno teško eliminirati zaostale pore drugim tehnologijama sinteriranja. Potreban je dodatni HIP postupak za uklanjanje zaostalih pora i povećanje gustoće i propusnosti vrlo blizu teoretskoj vrijednosti. 

SLIKA 9

Ovaj rad je podržan od strane Zaklade za prirodne znanosti provincije Jiangxi, Kina (br. 20192BAB216009), Projekta planiranja znanosti i tehnologije provincije Hunan, Kina (br. 2019WK2051) i Projekta znanosti i tehnologije iz Changsha, Hunan, Kina (br. kh2003023).