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1、尖晶石型AlON透明陶瓷的结构与性能姓名：卢刚 班级：材研 1005 学号：104972100244摘要：尖晶石型氮氧化铝(AlON)是A1 O-A1N体系的一个重要的单相、稳定的23的固溶体陶瓷，它以其独特的性能成为颇具潜力的新材料。AlON陶瓷具有优良 的光学、物理、机械和化学性质，特别是它所具有的各向同性，高温烧结可制成 透明陶瓷，因而是耐高温红外窗和罩的优选材料。本文介绍了 AlON陶瓷的研究进展、组成与结构、以及AlON陶瓷的相关性能。关键词：氮氧化铝；透明陶瓷；尖晶石型；研究进展；组成与结构；性能Abstract：The spinel aluminum oxynitride (Al
2、ON) is an important single-phase ,stable solid solution ceramic of A12O3-AlN system, and has become a quite potential new material with unique performances . there are some excellent optical ,physical, mechanical and chemical properties of AlON ceramics, in particular which can be sintered into the
3、transparent one for its isotropy, it is the optimum material for the infrared windows and covers to resist high temperature.In this paper, the research progress、 composition、 structure、 and the properties of AlON ceramics are introduced.Key words: aluminum oxynitride transparent ceramics spinel rese
4、arch progress composition structure properties1 透明 AlON 陶瓷的研究进展尖晶石型氮氧化铝(AlON)是Al 0-AlN体系的一个重要的单相、稳定的的固23 溶体陶瓷，氮氧化铝的诸多特点决定了它是制备透明陶瓷难得的材料。它为立方 尖晶石晶体结构，空间群为Fd3m，点群为m3m，即AlON具有各向同性的光学性 能；AlON具有很高的强度(380Mpa)和硬度(1950kg/mm2)；它的透光范围宽，从 紫外区的0.2um 直到红外区的6.0um处，此外，作为多晶陶瓷，它比单晶蓝宝 石更容易制得大尺寸部件，而且用传统的陶瓷制备技术就可以制得形状复
5、杂的透 明部件，这大大降低了成本。因此AlON在透明装甲和许多光学领域是非常有用 的材料。大炮弹膛的窗口要承受激光能，AlON也可用在大口径大炮的点火装置。由于它具有优良的光学、力学和化学性能，因而成为颇具潜力的新型材料。 另外，AlON具有良好的耐咼温性、热震稳定性和抗侵蚀性能，因而可作为一种 理想的耐火材料；高纯、致密的AlON陶瓷具有透光性，且由于其具有光学各向 同性，在0.20.6um光波波段最高理论透过率可达80%以上，所以AlON透明 陶瓷是耐高温红外窗口和头罩的优选材料.Yamaguchi于1946年首次证实似Y -AlON是温度高于1000C时能稳定存在的一种尖晶石型AlON。
6、从Ymnaguclfi等 人发现并证实尖晶石型AlON存在至今，还未能精确地确定尖晶石型AlON( Y -AlON)的固溶区范围，但所有研究者一致认为其固溶区内并不包括一般公认的典 型尖晶石结构组成的AION即A1 O N(A1 0 -AlN)。3 3 2 32 AlON陶瓷的组成与结构迄今为止，从Mccaule修正的Le. jus于1964年绘制的AlN-A1 0假二元系23相图中可以看出，AlN-A1 0二元系中有多种氮氧化铝相存在。根据其晶体结构，23这些相大致可被划分为两组：一组属纤维锌矿结构(Wurrtzite structure)，另 一组属尖晶石结构(Spinel structu
7、re)。Mccauley从晶体化学角度，分析了尖 晶石型氮氧化铝的晶体结构和相应组成。a -AlON和-AlON是摩尔组成分别为 35.7%AlN和16.7%AlN的两种理想尖晶石型氮氧化铝。实际上，在AlN-A1 023 系统内氮氧化铝存在一个较宽的固溶区，其摩尔组成在25%AlN周围区域内，但 不同研究者报道的组成范围不同，一般称这种尖晶石型氮氧化铝为Y -AlON。 Corbin等人发现Y -AlON经氧化后组成虽发生变化，但仍保持尖晶石型结构，后 称Y AlON。5 -AlON是另一种尖晶石型氮氧化铝，其摩尔组成范围在4%12% AlN，表中给出了一种组成的5-AlONd-AlON是M
8、ichel发现的单斜系氮氧化 铝。在AlN-A1 0二元系统中，尖晶石型丫一氮氧化铝(Y-AlON)是唯一一种潜在23的具有广泛应用前景的氮氧化铝材料。3 AlON陶瓷的性能3.1 AlON陶瓷的抗氧化性能AlON的抗氧化性实验表明：无论使用原始粉料还是烧结试样，都在870C时 开始氧化，粉料在1300C温度时完全氧化，而烧结试样在l500C下保温2h之后， 氧化没有结束，在10h后结束。观察发现，烧结试样严重破坏，且发生了剥落和 裂纹。前者的原因是发生了反应AlON+0 一 A1 0 +N。AlON颗粒发生剥落(因而在高温下AlON只能隔绝氧使用)；22 32后者的原因是从立方晶格型AlON
9、转变成三角形刚玉结构的过程中，由于试样内 部温度梯度大，晶格择优取向引起热膨胀的各向异性，在冷却时产生应力，导致 剥落和裂纹。Stockholm大学的郑捷等研究了 AlON粉末（13um）的氧化行为：在大气中， 低于600C时AlON是稳定的。在1200C时只需几个小时即可完全氧化，而在中 间温度的大气和氧气中，其成分一时间曲线呈“S”形，并认为其氧化行为是从 生核开始的，有明显的孕育期。在充有氩气的实验环境下，将AlON致密试样在 1 550C的环境中4h的热处理，试样的质量没有发生变化，XRD分析也证明其相 组成没有发生变化。在试验温度范围内，AlON在氩气保护下是稳定的，不发生 热分解。
10、3.2 AlON陶瓷的热稳定性对于尖晶石型氮氧化铝的热稳定性存在两种不同的观点，Dorner认为AlON 为不一致熔融化合物，熔点温度为2000C，在1600C以下分解为AlN和A10,23 而Kaufman认为该氮氧化铝为一致熔融化合物，熔点温度1940C，并可以稳定 至室温，且Kaufman的热力学计算结果与其实验数据比较相符。近来，Zych E等人在中性气氛和还原气氛中系统地研究了尖晶型A10N相的 热稳定性，发现尖晶石型AlON相仅在1640C以上稳定存在，低于此温度时不稳 定，分解为AlN和A1 0。李亚伟、李楠等人也发现，通过反应烧结氮化铝和氧23化铝也很难在1650C以下合成Al
11、ON，而在碳热还原过程中AlON相却能在低于 1650C下出现，但也有高于此温度发现AlON相的报道，引用Kaufman的热力学 数据计算后发现，在任何温度下，AlON相的稳定相区，相对于其它凝聚相相区 均比较窄小，受其周围气氛的影响，很容易转变成相邻的凝聚相，这可能是很多 研究者在碳热还原法合成氮化铝过程中的，不同温度区间发现AlON相存在的主 要原因。3.3 AlON 陶瓷的硬度采用维式金刚钻在室温下对试样进行硬度测量，5N的试验负荷下，其硬度 分别为10.6GPa及14.1GPa。与压入法硬度试验（压痕）相比，在一定试验载荷下， 两者都会产生裂纹（这将导致较低的裂纹韧性），但前者的裂纹韧
12、性较低。如果使 用较纯的粉料，则有望提高其硬度。4 结束语尖晶石型氮氧化铝（AlON）是A1 0 -AlN体系的一个重要的单相、稳定的的固23 溶体陶瓷，氮氧化铝的诸多特点决定了它是制备透明陶瓷难得的材料。由于它具 有优良的光学、力学和化学性能，因而成为颇具潜力的新型材料。另外， AlON 具有良好的耐高温性、热震稳定性和抗侵蚀性能，因而可作为一种理想的耐火材 料；高纯、致密的A10N陶瓷具有透光性，且由于其具有光学各向同性，在0.2 0.6um光波波段最高理论透过率可达80%以上，所以AlON透明陶瓷是耐高温红 外窗口和头罩的优选材料。AlON陶瓷有很好的抗氧化性能、热稳定性能以及其 它一些
13、优良性能。5 参考文献1 雷鸣，张礼杰，王英伟，等透明陶瓷的研究现状与发展中国陶瓷工业，20052 黄存新，李建保，雷牧云，等中波红外光学材料的研究现状和发展趋势人 工晶体学报，20063 刘军芳，傅正义，张东明，等透明陶瓷的研究现状与发展展望陶瓷学报，20064 朴贤卿，卢利萍，刘景和，等尿素共沉淀法制备 Yb：YAG 透明激光陶瓷. 功能材料学报，20045 陈启伟，施鹰，施剑林陶瓷闪烁材料最新研究进展材料科学与工程学报，20056 马海霞，楼祺洪，凌磊，等陶瓷激光器的研究进展激光与光电子学进展，20067 苏新禄，陈卫武，王佩玲，程一兵非氧化物透明陶瓷的研究进展无机材 料学报，20038
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