Naujausia skaidrios AlON keramikos pažanga ir iššūkiai

Dėl unikalių cheminių ir fizinių savybių keramika ir jų kompozitai buvo plačiai ištirti įvairioms reikmėms [1–7]. Be to, skaidri keramika dėl savo išskirtinių optinių, fizinių ir mechaninių savybių plačiai naudojama verslo srityje ir karinėje pramonėje [8–10]. Iš skaidrios keramikos skaidria aliuminio oksinitrido (AlON) keramika buvo laikoma viena iš svarbiausių keramikų kupoluose, infraraudonųjų ir matomų langų, skaidrių šarvų ir kt. Palyginti su monokristaliniu safyru, kuris yra gerai žinomas kaip kiečiausia permatoma keramika, polikristalinė AlON keramika pasižymi panašiomis stiprumo, kietumo ir optinėmis savybėmis, tačiau pasižymi didesniu lankstumu pagal dydį ir formą [11]. Todėl AlON keramika sulaukė vis didesnio tyrimo. γ-AlON yra kietas Al13O14,15 ir AlN tirpalas [16,17]. Buvo ištirta daugybė AlON miltelių arba AlON keramikos paruošimo būdų, pavyzdžiui, kietojo kūno reakcija [18], Al19,20O21 karbonizacijos metodas[22,23], cheminis nusodinimas garais [24], sol-gelio metodas [6.2, 25], ir tirpalo degimo sintezė [26]. Išmatuota, kad AlON juostos tarpas yra 3.99 eV [200.9]. TU ir kt. [1] naudojo pirmojo principo tankio funkcinę teoriją (DFT), kad ištirtų Al laisvų vietų ir Natomų pirmenybę vietoje γ-AlON. Apskaičiuota, kad γ-AlON juostos tarpo ir tūrinio modulio struktūrinis modelis yra 14 eV N atomų, o Al laisvos vietos γ-AlON yra atitinkamai XNUMX GPa. Duota plati juosta aišku. γ-AlON savybės rodomos tarpe kartu su maža fotonų energija ir didele XNUMX lentelė [XNUMX].

Terminis stabilumas, AlON keramika buvo ištirta kaip fosforo matrica. Kaip aukštyn konversijos fotoliuminescencinis (UCPL) fosforas, AlON gali būti legiruojamas įvairiais retųjų žemių elementais, tokiais kaip Eu₂+ [27], Yb28+[29], Tm₃+ [30] ir Ce₃+ [4]. Neseniai buvo nustatyta, kad akiniai, kurių pagrindą sudaro nebrangus AlON ir 4-dimetilamino-N-metil-31-stilbazoliumotozilato (DAST) sluoksnis [32] ir VO₂ plona plėvelė ant skaidraus AlON [5]. galimas pritaikymas išmaniuosiuose languose. ALON(90)−DAST(5)−ALON(31) pranoksta pramoninius standartinius komercinius langų stiklus su pastabomis, kad jie yra pigiausi, lengvi ir tvirčiausi [6]. Be to, Ti4Al33V buvo sėkmingai paruoštas ant AlON keramikos taikant aktyvaus elemento litavimo metodą, o kompozitas pasižymėjo išskirtinėmis mechaninėmis savybėmis [34]. Pažymėtina, kad nauji H₃BO35 [11,13,36,37] ir žemės elementų sukepinimo priedai (Sc, La, Pr, Sm, Gd, Dy, Er ir Yb) [XNUMX] skyrėsi nuo įprastų YXNUMXOXNUMX, LaXNUMXOXNUMX ir MgO. Nors patobulinti metodai, nauji sukepinimo priedai, sudėtingesnis žemės elementų dopingas ir naujai ištirtas pritaikymas ir kt. buvo plačiai sukurti, vis dar trūksta sistemingos, tikslingos ir naujausios santraukos [XNUMX, XNUMX, XNUMX, XNUMX]. Be to, kai kurios neišspręstos AlON keramikos problemos ir nauji iššūkiai trukdo jų komercinei reklamai ir pritaikymui. Todėl šiame straipsnyje pateikiama naujausia ir kritiška skaidrios AlON keramikos apžvalga apie paruošimo būdus, sukepinimo priedus, sukepinimo technologijas, iššūkius ir plėtros perspektyvas.

  1 pav

                  1 lentelė γ-AlON savybės [14]                          

AlON turi kubinę špinelio struktūrą, kurios erdvės grupė yra Fd3m [38,39, 1]. Kaip parodyta 40 pav. [32], N ir O atomai yra 16e vietose, o Al atomai yra 8d ir XNUMXa vietose. Remiantis eksperimentiniais rezultatais ir teoriniais

1964 m. pirmoji dvejetainės fazės diagramaAl₂OXNUMX−AlN kompoziciją paskelbė LEJUS [43]. Tada MCCAULEY ir kt. [44,45] pateikė išsamesnę pseudobinarinės Al1.013O105-AlN sudėties fazių pusiausvyros diagramą 2 × 44 Pa tekančiu azotu, kaip parodyta XNUMX pav. [XNUMX]. Be eksperimentinio nustatymo, skaičiavimų, AlON pastovios anijoninės struktūros modelį galima apibūdinti formule Al(64+x)/3V(8−x)/3O32−xNx, kur 2≤x≤5 [39−42]. Tačiau sunku patvirtinti, kad kai kurie tyrinėtojai, remdamiesi eksperimentiniais duomenimis ir turimais fazių pusiausvyros diagramos termodinaminiais duomenimis, bandė apskaičiuoti AlON stabilumo sritį ir pseudo-dvejetainę Al₂O₃−AlN sistemą [36,46−49] . Tačiau eksperimentuose vykstantis fazių atskyrimas vis dar negali būti pakeistas dėl mažiau eksperimentinės informacijos. 

2 pav

Gerai žinoma, kad keramikai būdingi grūdeliai, grūdelių ribos, poringumas ir kt. (3 pav.)[50,51]. Kaip minėta anksčiau, AlON keramika turi izotropinę kubinę gardelės struktūrą, kuri yra viena iš svarbių priežasčių, kodėl jie gali būti optiškai skaidrūs. Tarp šviesos sklaidos šaltinių poringumas yra svarbiausias veiksnys, lemiantis, ar keramika gali būti skaidri, ar ne. Minimalus poringumas turėtų būti didesnis nei 99.9% teorinio tankio, o porų dydis grūdelių ribose turi būti mažesnis už šviesos bangos ilgį arba neturėtų egzistuoti. Grūdelių ribos yra neišvengiamos keramikos buvimas ir turi didelę įtaką skaidrumui. Taigi tikimasi, kad aukštos kokybės grūdelių ribos ir mažesnio bei vienodo dydžio grūdeliai gaus labai skaidrią AlON keramiką. Naudojant sukepinimo priedus, paprastai galima pašalinti likusias poras sukepinimo metu, tačiau keramikoje, antrinėje fazėje ir inkliuzuose atsiras nauji šviesos sklaidos centrai. Kaip du svarbūs šviesos sklaidos šaltiniai, poringumas ir grūdelių ribos turėtų būti kiek įmanoma sumažinti. SHAHBAZI ir kt. [51] išsamiai aprašė skaidrią keramiką, efektyvius skaidrumo parametrus, Mie teoriją ir Fraunhoferio teoriją.

3 pav 

Iki šiol buvo pranešta apie daugybę AlON galios arba AlON keramikos paruošimo būdų, tokių kaip kietojo kūno reakcija [18,52-55], karbonizacijos metodas iš Al19,56O61[21,62-22,63], cheminis nusodinimas garais [XNUMX ], ir sol-gel metodas [XNUMX]. Dauguma tyrimų buvo sutelkti į AlXNUMXOXNUMX ir AlN kietojo kūno reakciją aukštoje temperatūroje ir karbonizacijos metodą AlXNUMXOXNUMX redukcijai.

Kietojo kūno metodas yra paprastas ir įprastas daugelio junginių paruošimo būdas. Vienas iš didžiausių kietojo kūno reakcijos aukštoje temperatūroje pranašumų yra tai, kad žaliavas galima gauti be vargo. Al5O9 ir AlN reakcija į AlON susidarymą gali būti apibūdinta kaip 13,64AlN+XNUMXAlXNUMXOXNUMX → AlXNUMXOXNUMXNXNUMX[XNUMX]. Labai grynos Al₂OXNUMX ir AlN galios yra prieinamos rinkoje ir gali būti tiesiogiai naudojamos gaminant AlON galias ar net permatomą AlON keramiką. Vieno etapo AlON keramikos paruošimas gali ne tik žymiai sumažinti sukepinimo išlaidas, bet ir supaprastinti sukepinimo procesą bei lengvai pasiekti didelio masto gamybą. Tačiau milteliai gali būti agreguojami arba maišomi nehomogeniškai, todėl AlON keramika yra prastai skaidri. Tuo tarpu didelio grynumo itin smulkus AlN yra brangus, o tai padidina gamybos sąnaudas. Kaip parodyta pav. 4 (a), MCCAULEY ir ORBIN [52] pirmiausia paruošė permatomą AlON diską ir pateikė patobulintą AlON aukštos temperatūros fazių diagramą išilgai pseudorinės Al₂O₃-AlN kompozicijos jungties. Skystosios fazės sukepinimo procesas buvo naudojamas skaidriai AlON keramikai gaminti PATEL ir kt. [65]. 27–30 mol.% α-AlXNUMXOXNUMX pirmiausia buvo sumaišytas su AlN. Tada mišinys po rutulinio malimo buvo supresuotas į granules. Granulės buvo sukepintos 1950–2025 °C temperatūroje 10–60 min., o dalis medžiagų galėjo sudaryti skystą fazę, skatinančią sukepinimą šiame etape. Tada sistemos temperatūra nukrito 50–100 ° C ir buvo palaikoma dar 8–20 valandų, kad būtų dar labiau pagerintas tankis ir skaidrumas. CHEN ir kt. [66] pirmiausia susintetino grynos AlON:Ce3+ galios fazę 1780 °C temperatūroje azote, tada pilnai tanki ir skaidri AlON:Ce3+ keramika buvo gauta naudojant skystosios fazės beslėgį sukepinimą 1900 °C temperatūroje 20 valandų. (Pav. 4 dalies a ir b punktuose). Be tiesioginės AlON miltelių ir tada permatomos AlON keramikos paruošimo metodo sintezės kietuoju būdu, naudojamu AlON keramikai gaminti. Pagrindinis metodas, kurį naudojo LI ir kt. [67], naudojo AlXNUMXOXNUMX ir AlN miltelius, šio metodo pranašumas yra mažas žaliavų, skirtų greitai sintezuoti vienfazes žaliavas, kaina ir pramoninių AlON galių, pirmiausia kietojo kūno, galimybė. metodas. Tada gamyba. Tačiau sukepinimo sąlygos yra tokios, kad paruošti AlON milteliai buvo sumalti į smulkų kompleksą, todėl sunku tiksliai kontroliuoti molinius AlON miltelius, kaip parodyta Fig. 4 straipsnio d ir e punktuose. Al2OXNUMX ir C santykis, o AlON yra lengvai skaidrus, AlON keramika buvo pagaminta suskaidant į AlXNUMXOXNUMX ir AlN NXNUMX beslėgio sukepinimo metu gautą smulkią AlON atmosferą aukštoje temperatūroje. Dėl visų šių miltelių ir tiesioginio AlON pralaidumo gali susidaryti nešvarūs AlON milteliai. JIN ir kt. [84.3] keramika buvo net 100% (d1 mm × 68 mm), pirmiausia pagamino Al₂O₃ / 3.7 μm (XNUMX pav.). 4(f) ir (g)).

4 pav 

Karboterminio redukcijos ir nitridavimo karboterminio nitridavimo mišinys, kaip parodyta Fig. 5(a-c). Proceso metu, anglies sluoksnio (CRN) metodas pirmiausia buvo naudojamas gaminant Al1959O39 dalelių paviršių, buvo nustatyta, kad YAMAGUCHI stipriai sudarė AlON junginį ir sulėtino Al80O2000 YANAGIDA susiliejimą ir augimą 1950 m. [8]. CRN yra daugiausia dalelių. Galiausiai, skaidrią AlON keramiką, kurios maksimalus pralaidumas linijoje yra didesnis nei 5%, esant 69 nm, galima pasiekti dviejų pakopų karboterminio nitridavimo metodu azote 1.1 °C temperatūroje 2.2 valandas (1.1 pav. d). SHAN ir kt. [5] pranešė, kad naudojant CRN metodu paruoštų AlON miltelių rutulinį malūną galima gauti ir bimodalinius (~ 82.1 μm ir ~ 3600 μm), ir unimodalinius (~ 1820 μm) AlON miltelius. 2.5(e) ir (f) pav.). Jie nustatė, kad AlON milteliai su bimodaliniu dalelių dydžio pasiskirstymu (PSD) sukepinimo proceso metu greitai tankėja, o puiki skaidri AlON keramika, kurios infraraudonųjų spindulių pralaidumas iki 5% esant ~ XNUMX nm, buvo be slėgio sukepinta azote XNUMX °C temperatūroje XNUMX val. (XNUMX pav. (g))

5 pav

Smulkius ir grynus γ-AlON miltelius sėkmingai paruošė YUAN et al [70] kombinuotu metodu (6 (a) ir (b) pav.). Jie toliau naudojo γ-AlON miltelius AlON keramikai gaminti ir ištyrė dvigubų lamelių poveikį jų mechaniniam stiprumui (6 (c-j) pav.) [71]. Jie nustatė, kad dvigubos lamelės ir ribos didėja padidėjus vidutiniam didelio dydžio AlON keramikos grūdelių dydžiui, o tai suteikė daug žadantį metodą, kaip padidinti skaidrią keramiką dideliais grūdeliais. 

Iki šiol buvo tiriami ir kiti AlON miltelių arba keramikos sintezės metodai. Pavyzdžiui, ASPAR ir kt. [62] paruošė AlON junginį naudodami amoniaką, trimetilaliuminį ir azoto oksidą cheminiu garų nusodinimu (Cheminio garinio nusodinimo (CVD)) metodas. Nustatyta, kad temperatūra ir slėgis turi reikšmingos įtakos pusiausvyros kompozicijoms, pakeisdamos esamo CO kiekį. IRENE ir kt. [21] taip pat taikė CVD metodą AlxOyNz plėvelėms ant silicio gaminti. Svarbu tai, kad fazę galima valdyti reguliuojant NH₃/CO72 dujų santykį ir paruošimo temperatūrą. KIM ir kt. [73] sukūrė žemos temperatūros sol-gelio metodą, kad gautų Al-ON sistemą, nors ją gali būti sunku valdyti. hidrazino nitrido pirmtakas šiame procese. Atliekant tolesnį tyrimą, buvo ištirtos kai kurios kitos azotinančios medžiagos. KIKKAWA ir kt. [74] pagamino AlON per amoniako nitridavimą oksido pirmtaką, kuris buvo pagamintas peptizuojant glicino gelį aliuminio nitratu. Be to, plazmos reaktorius buvo sukurtas sintetinti AlON nanomiltelius pagal Al miltelių sąveiką su amoniaku ir oru šiluminėje azoto plazmoje [XNUMX] Paruoštų nanomiltelių fazinė, cheminė ir dispersinė sudėtis koreliuoja su plazmos proceso parametrai ir reaktoriaus konstrukcija.

Norint gauti labai skaidrią AlON keramiką, reikia pridėti sukepinimo priedų, kurie pašalintų sukepinimo metu likusias poras, kurios yra šviesos sklaidos centras. Šiais laikais įvairūs AlON sukepinimo priedai, tokie kaip Y₂O67, La69,75O80, MgO, SiO₂ ir CaCO2, buvo plačiai ištirti [69–3, 82.1–3600]. Pagal sukepinimo priedų tipus apibendriname tipinius AlON keramikos su įvairiais sukepinimo priedais skaidrumo rezultatus, kaip parodyta 0.5 lentelėje. Pavyzdžiui, SHAN ir kt. [7] pranešė, kad AlON keramikos pralaidumas linijoje (76 mm storio) yra 86 %, kai bangos ilgis 3.5 nm su 2000 masės % Y0.15O0.55. SiO₂ pirmiausia buvo naudojamas kaip sukepinimo priedas AlON keramikai (2 (b) pav.) [81]. Jie nustatė, kad AlON keramikos pralaidumas linijoje yra iki 0.12% (0.09 mm storio) esant 80.3 nm ir nėra jautrus priedo koncentracijai su 2–400 masės% SiO7. Kai kurie mokslininkai naudojo dviejų tipų sukepinimo priedus, kad pagamintų labai skaidrią AlON keramiką. WANG ir kt. [68] naudojo 0.1 masės % Y0.08O0.025–81 masės % La1O1100 kaip priedus AlON keramikai, gaudami 81 % pralaidumą (7 mm storio) esant 82 nm (1870 pav. a) . Jie pranešė, kad Y₃+ ir La₃+ turi sinergetinį poveikį grūdų augimui, o Y498+ pagerina grūdų ribos mobilumą ir skatina grūdų augimą, o La₃+ slopina grūdų augimą. JIN ir kt. [82] sukepino AlON keramiką, naudodami trijų tipų sukepinimo priedus be slėgio, sudarytus iš 10 masės % MgO, 6 masės % Y1775O128 ir 10 masės % La₂O6, ir pasiekė pralaidumą (4000 mm per 10 % storis) esant 6 nm. Neseniai YXNUMXOXNUMX−La₂OXNUMX−MnO kaip sudėtinį sukepinimo priedą, skirtą skaidriai AlON keramikai gaminti, ištyrė WANG ir kt. [XNUMX] (XNUMX pav. d). Sukepinančių priedų tirpumo ribas AlON tyrė MILLER ir KAPLAN [XNUMX], naudojant bangos ilgio dispersinę spektroskopiją, sumontuotą ant skenuojamojo elektroninio mikroskopo. Jie nustatė, kad La, Y ir Mg tirpumo ribos AlON XNUMX °C temperatūroje buvo atitinkamai (XNUMX±XNUMX) × XNUMX-XNUMX, (XNUMX±XNUMX) × XNUMX-XNUMX ir >XNUMX × XNUMX-XNUMX. 

6 pav

Be įprastų Y34O35, La8O0.1 ir MgO sukepinimo priedų, taip pat buvo tiriami nauji H80BO8 pagrindo trijų komponentų kompozito [34] ir žemės elementų [81] sukepinimo priedai. Kaip parodyta Fig. 4 (a) ir (b), įvairūs retųjų žemių elementai (Sc, La, Pr, Sm, Gd, Dy, Er ir Yb) buvo sistemingai tiriami kaip skaidrios AlON keramikos sukepinimo priedas. Nustatyta, kad AlON keramikos su 600 masės % Pr-nitrato pralaidumas buvo didžiausias – ~0.12 % dviejų pakopų beslėgio sukepinimo būdu (XNUMX pav. (c)), o tai rodo, kad retųjų žemių elementai gali būti perspektyvi alternatyva sukepinti. priedas. Visai neseniai, naudojant YXNUMXOXNUMX−MgAlXNUMXOXNUMX−HXNUMXBOXNUMX kaip bendro sukepinimo priedą, YANG ir kt. [XNUMX] gavo AlON keramiką, kurios pralaidumas yra XNUMX% (XNUMX mm storio) esant XNUMX nm, taikant vieno etapo reaktyvų sukepinimą, kai HXNUMXBO₂. kiekis buvo XNUMX masės % (8 pav. (d)). 

7 pav

      2 lentelė AlON keramikos su įvairiais sukepinimo priedais skaidrumo rezultatai

Prieš sukepinant, žalios AlON miltelių granulės paprastai susidaro sausuoju būdu, įskaitant vienaašį presą esant slėgiui ir šaltą izostatinį presą, arba šlapiuoju būdu, įskaitant gelio liejimą [8,63,83, 56,58,67,68,77,79, 65]. Norint paruošti AlON keramiką, buvo ištirta daug sukepinimo technologijų, tokių kaip beslėgis sukepinimas [84], vakuuminis sukepinimas [85,86], karštasis presas [87], sukepinimas mikrobangų krosnelėje [89], kibirkštinis plazminis sukepinimas [75,76,78,90,91−3] ir karštasis izostatinis presavimas [67]. Įprastų AlON keramikos paruošimo būdų privalumai ir trūkumai pateikti 100 lentelėje. Beslėgis sukepinimas yra pati tradicinė sukepinimo technologija ir yra ekonomiškai efektyvi masinei įvairių dydžių ir formų AlON keramikos gamybai. Tačiau norint gauti labai skaidrią AlON keramiką, paprastai reikalinga aukšta sukepinimo temperatūra, ilgas sukepinimo laikas ir sukepinimo priedai. LI ir kt. [1] pranešė apie daugybę skaidrios AlON keramikos, kurios matmenys yra d1950 mm × 12 mm, sukepinant be slėgio 2 ° C temperatūroje 1 valandų tekančioje N84.3 atmosferoje grafito krosnyje. AlON keramikos (3.7 mm storio) pralaidumas linijoje yra 0.5 % esant 92 μm bangos ilgiui ir 65 masės % Y₂O2. Vakuuminis sukepinimas yra efektyvi sukepinimo technologija, skirta pašalinti dujas iš keramikos [3]. PATEL ir kt. [2000] naudojo didelio grynumo Al8O32 ir AlN galias kaip žaliavas, kad pagamintų permatomą AlON keramiką 1900 °C temperatūroje 8 valandas ir 8 MPa slėgį karšto spaudimo metu, po to 84 °C temperatūroje ilgiau nei 1900 valandas. h vakuume. Karštas spaudimas (HP) sukepinimas gali būti naudojamas ašiniu slėgiu paspartinti jėgos judėjimą ir padaryti žalią granulę visiškai tankią esant santykinai žemai temperatūrai. Tačiau HP sukepinimas nėra tinkamas dideliems ir sudėtingiems mėginiams ruošti, o gamyba yra brangi, todėl neišvengiamai gali atsirasti priemaišų ir defektų. Norint pašalinti anglies užterštumą, reikalingas po atkaitinimo procesas [1]. TAKEDA ir HOSAKA [20] gavo skaidrią λ-AlON keramiką XNUMX °C temperatūroje XNUMX val. ir XNUMX MPa slėgiu karšto spaudimo metu. Mikrobangų sukepinimas pasižymi dideliu energijos vartojimo efektyvumu, taupo išlaidas, žema sukepinimo temperatūra, sustiprinta reakcija ir sukepinimo greitis. Mikrobangų procese konvertuota mikrobangų energija gali įkaisti pačiame mėginio tūryje. CHENG ir kt. [85] piktinosi, kad AlON, sukepinto 1800 ° C temperatūroje 1 valandą mikrobangų proceso metu, bendras pralaidumas yra 60%. Kibirkštinis plazminis sukepinimas (SPS), dar vadinamas impulsiniu elektros srovės sukepimu, gali pagaminti tankią skaidrią keramiką su smulkiais grūdeliais dėl trumpo sukepinimo laiko ir žemos temperatūros naudojant impulsinę nuolatinę srovę. Taigi grūdų augimas gali būti sumažintas. SHAN ir kt. [87] SPS gamino labai skaidrią AlON keramiką esant žemai 1600 °C temperatūrai ir greitai kaitinant 50–250 °C/min, esant 60 MPa slėgiui. Didžiausias gautos AlON keramikos (1.4 mm storio) pralaidumas yra 80.6%. 

8 pav

3 lentelė Įprastų AlON keramikos paruošimo būdų privalumai ir trūkumai

 Karštas izostatinis presavimas (HIP) yra galingiausia sukepinimo technologija, leidžianti pasiekti maksimalų tankį ir aukščiausios klasės optiškai pralaidžią keramiką, galiausiai sumažinant likutines keramikos poras [8,11,93,94]. Aukštos temperatūros sukepinimo metu HIP įranga gali būti naudojama izostatiniu dujų slėgiu. 9 paveiksle parodyta HIP porų pašalinimo mikrostruktūros modelio schema [8,95]. Paprastai labai sunku pašalinti likusias poras kitomis sukepinimo technologijomis. Norint pašalinti likusias poras ir padidinti tankį bei pralaidumą labai artimai teorinei vertei, reikalinga papildoma HIP procedūra. 

9 pav

Šį darbą rėmė Jiangxi provincijos gamtos mokslų fondas, Kinija (Nr. 20192BAB216009), Hunano provincijos mokslo ir technologijų planavimo projektas (Nr. 2019WK2051) ir Changsha, Hunan, Kinija, mokslo ir technologijų projektas (Nr. kh2003023).