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
关键字
介绍
实验的程序
结果与讨论
结论
参考文献
详细联系方式

摘要

艾尔_2.O_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。艾尔_2.O_3.cr_2.O_3.通过干燥铝，制备了混合粉体_2.O_3.含铬(NO_3.)_3.并通过脉冲电流烧结（PECS）加工成掺铬铝_2.O_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_2.O_3.多晶体。

关键字

Cr-doped艾尔_2.O_3.红宝石，脉冲电流烧结（PECS），密度，透明，微观结构

介绍

纯刚玉（铝）_2.O_3.)是一种稀有矿物，无色透明。少量的金属元素，如铬、铁、钛或钒，可以替代刚玉晶体结构中的铝，从而引起许多颜色变化。红宝石是多色刚玉家族中的一种瑰丽的红色品种，由氧化铝和铬以及其他微量元素组成。红宝石的优点是耐热性高、熔点高、机械强度高、硬度高、化学稳定性好。Ruby广泛应用于液压、化学品、气流过滤器、固态激光器、太阳能、装饰产品、光学元件，如棱镜和楔块等[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。欧洲杯足球竞彩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Al_2.O_3.，较慢的升温速率对于致密化和透明度是有效的[17-19]。

然而，没有关于有色铝烧结的报道_2.O_3.PECS过程中的任何掺杂在本研究中，Al_2.O_3.cr_2.O_3.通过干燥铝，制备了混合粉体_2.O_3.含铬(NO_3.)_3.．将混合粉末反应后烧结成透明的cr掺杂Al_2.O_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

一个商业一个职能_2.O_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_2.O_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_2.O_3.最终样品中的浓度等于70ppm。美联_2.O_3.cr_2.O_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_2.O_3.cr_2.O_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。

采用甲苯液体置换法测定了烧结体的容重。铝的相位识别_2.O_3.cr_2.O_3.采用X射线衍射（XRD）进行粉末混合，用能谱仪（EDX）观察Cr、Al和O的分布，用扫描电子显微镜（SEM）观察烧结态样品的微观结构使用EDX进行元素映射。使用线性截距法确定平均晶粒尺寸，补偿系数为1.126[26]。

结果与讨论

图1为Al的XRD谱图_2.O_3.cr_2.O_3.粉末混合物。获得了具有单一刚玉相的样品。未发生污染或其他化学反应。图2显示了铝合金的微观结构_2.O_3.cr_2.O_3.与氧化铝砂浆研磨后的粉末混合物。铝的强团聚_2.O_3.观欧洲杯猜球平台察到颗粒。

图1所示。Al的XRD谱图_2.O_3.cr_2.O_3.粉末混合物。

图2。铝的微观组织_2.O_3.cr_2.O_3.研磨后的粉末混合物。

图3为Al的EDX元素图_2.O_3.cr_2.O_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_2.O_3.cr_2.O_3.研磨后的粉末混合物。

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_2.O_3.cr_2.O_3.粉末混合物。

图4。铝的PEC中相对密度D和施加的单轴压力P之间的关系_2.O_3.cr_2.O_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。在1200°C下烧结的红宝石多晶体断裂表面的SEM图像：a）和b）2 K/min的加热速率和施加的单轴压力分别为40和100 MPa；C）和d）100 K/min的加热速率和施加的单轴压力分别为40和100 MPa。a）、C）和d）中的箭头表示孔隙。

图6。在铝的PECS中，平均晶粒尺寸D与单轴压力P的关系_2.O_3.cr_2.O_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_2.O_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。欧洲杯猜球平台

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_2.O_3.粉末在PECS中均质。此外，一些研究人员报告说，阿尔_2.O_3.加入少量掺杂元素如MgO或三掺杂元素Mg, Y, La的组合使样品粒度细小，透明度最佳[20,21,32]。由于元素在铝中的溶解度非常有限_2.O_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，较高的单轴压力和较慢的加热速率导致完全致密和小晶粒尺寸。红宝石多晶的透明度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]。在高单轴压力下，不同升温速率下烧结的红宝石多晶的透明度差异如图7所示。多孔性较强的红宝石多晶的表观透明度低于致密的红宝石多晶。除了孔隙率的影响，晶粒尺寸也会影响透明度。因此，随着单轴压力的增加和加热速率的降低，红宝石多晶逐渐由不透明变为透明。红宝石多晶体的透明度很容易用肉眼观察到。

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，红宝石多晶体内部出现了一些圆点，如图7所示。EDX结果显示，这些点具有高的Cr浓度。图8为烧结后红宝石多晶断口表面的SEM图像和EDX元素。多孔区显示Cr浓度较高，可能为黑点。均相铝的制备_2.O_3.cr_2.O_3.粉末混合对于获得无黑点且透明度高的烧结红宝石多晶具有重要意义。强大的铣削过程，如高速铣削可以有效地改善粉料混合物的均匀性。

图8。单轴压力为100 MPa，升温速率为100 K/min，烧结温度为1200℃的红宝石多晶断口的SEM和EDX图像。

结论

用PECS处理Al成功地获得了高密度的红宝石多晶_2.O_3.cr_2.O_3.干燥水铝制备的粉末混合物_2.O_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_2.O_3.cr_2.O_3.粉末混合物。

参考文献

1.A. Krell, T. Hutzler和J. Klimke，“传输物理和材料选择、制造和应用的结果”，J. Euro。欧洲杯足球竞彩陶瓷。Soc。， 29(2009) 207-221。
2.c.r. Beesley，“琢面宝石颜色分级指南”，美国专利号4,534,644(1985年8月13日)。
3.“先进SPS火花等离子烧结系统和技术的趋势”，J. Soc。粉抛光工艺。日本。， 30(1993) 790-804。
4.“铸铁雾化粉末脉冲电流烧结初期的颈部生长”，J.日本。金属学报，63(1999)917-923。
5.“脉冲电流加压烧结Ni-20Cr合金层状粉末的致密化”，《中国机械工程》，2007。金属学报，66(2002)87-93。
6.T.Kondo、T.Kuramoto、Y.Kodera、M.Ohyanagi和Z.A.Munir，“促进钼的增长_2.脉冲直流电流在Mo-C扩散偶中形成的C”，J. Jpn。Soc。粉粉金属。， 55(2008) 643-650。
7.“脉冲电流烧结(PECS)工艺对Ni-20Cr粉末烧结均匀性的影响”，中华人民大学学报(自然科学版)，8(2006)101-108。
8.张国强，“火花等离子烧结强化铝基纳米复合材料的研究”，硅酸盐学报。(2002) 737-741。
9.沈振东，赵振东，“氧化铝放电等离子烧结技术”，硅酸盐学报。陶瓷。Soc。(2002) 1921-1927。
10.Y.Zhou，K.Hirao，Y.Yamauchi和S.Kanzaki，“氧化铝脉冲电烧结中的致密化和晶粒生长”，欧洲陶瓷学会期刊，24（2004）3465-3470。
11.王少伟，陈立东，平井涛，“铝的致密化_2.O_3.火花等离子烧结粉末”，J. Mater。文献，15(2000)982-987。
12.江东平，“电火花等离子体烧结技术的研究”，材料科学与工程，vol . 23, no . 1, no . 2, pp . 441 - 446。科学。Eng。A, 463(2007) 89-93。
13.王志强，王志强，王志强，“温度、温度和压力对碳化硅致密化的影响”，硅酸盐学报。陶瓷。Soc。， 27(2007) 2725-2728。
14M.Suganuma和Y.Kitagawa，“氮化硅的脉冲电流烧结”，J.Am。赛拉姆。Soc.，86（2003）387-394。
15.王少伟，陈立东，平井涛，郭杰，“Al的形成”_2.O_3.脉冲电流烧结过程中具有不同尺寸和形态的晶粒”，J.Mater.Res.，16（2001）3514-3517。
16.张德明，傅志勇，王永春，张庆军，郭建坤，“脉冲电流烧结非导电材料的非均匀性”，重点工程。欧洲杯足球竞彩板牙。， 224-226(2002) 729-734。
17B.N.Kim，K.Hiraga，K.Morita和H.Yoshida，“透明氧化铝的火花等离子烧结”，Scripta Mater.，57（2007）607-610。
18.B.N.Kim，K.Hiraga，K.Morita和H.Yoshida，“加热速率对火花等离子体烧结氧化铝微观结构和透明度的影响”，J.Euro.Ceram.Soc.，29（2009）323-327。
19.B. N. Kim, K. Hiraga, K. Morita, H. Yoshida, T. Miyazaki, Y. Kagawa，“透明氧化铝的微观结构和光学性能”，Acta materiae sinica, 2017, 43(6): 973 - 976。， 57(2009) 1319-1326。
20.D.Jiang，D.M.Hulbert，U.Anselmi Tamburini，T.Ng，D.Land和A.K.Mukherjee，“光学透明多晶铝合金”_2.O_3.火花等离子烧结法生产”，J.Am.Ceram.Soc.，91（2008）151-154。
21.赵志刚，李志刚，李志刚，“放电等离子烧结制备透明多晶氧化铝的研究”，无机材料学报，vol . 43, no . 3, pp . 417 - 418。陶瓷。Soc。， 30(2010) 1335-1343。
22.“电火花等离子烧结陶瓷”，国立台湾大学材料科学与工程研究所硕士论文。欧元。陶瓷。Soc。， 1(2003) 19-24。
23.沈建中，“放电等离子烧结钇石榴石(YAG)透明陶瓷”，硅酸盐学报。陶瓷。Soc。， 27(2007) 3331-3337。
24.沈建中，“放电等离子烧结中纳米粒子的表面软化及其对YAG陶瓷的影响”，材料科学与工程，vol . 32, no . 3, no . 3, pp . 4欧洲杯猜球平台科学。Eng。A, 429(2006) 74-78。
25.K.森田，B.N.金，K.平贺和H.吉田，“透明镁铝的制造”_2.O_4.火花等离子烧结尖晶石多晶”，Scripta Mater.，58（2008）1114-1117。
26.陈建平，“多晶陶瓷的平均晶粒尺寸”，中华民国陶瓷研究所硕士论文。陶瓷。Soc。， 52(1969) 443-446。
27.“透明氧化铝的光散射模型”，中国科学(d辑)。陶瓷。Soc。， 86(2003) 480-486。
28.L. A. Stanciu, V. Y. Kodash和J. R. Groza，“升温速率对á-Al烧结过程中致密化和晶粒长大的影响_2.O_3.和莫西人_2.“粉末”，金属材料翻译A，32（2001）2633-2638。
29.“快速加热对热压氧化铝致密化和晶粒长大的影响”，硅酸盐学报。Soc。日本，108(2000)799-802。
30.“高硬度、高强度的透明烧结刚玉”，北京大学学报(自然科学版)。陶瓷。Soc。， 86(2003) 12-18。
31.A. Krell, P. Blank, H. Ma, T. Hutzler和M. Nebelung，“高密度亚微米铝的加工_2.O_3.对于新的应用”，J.Am。赛拉姆。Soc.，86（2003）546-553。
32.D. S. Kim, J. H. Lee, R. J. Sung, S. W. Kim, H. S. Kim and J. S. Park， " Al半透明性的改善_2.O_3.“两步烧结技术制备陶瓷”，J.Euro。赛拉姆。Soc.，27（2007）3629-3632。

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