陸藝瑩,雷 文,王 飛,樓熠輝,呂文中
(1.華中科技大學 光學與電子信息學院,湖北 武漢430074;2.華中科技大學 電子信息功能材料教育部重點實驗室,湖北 武漢430074)
釔鋁石榴石(Y3Al5O12,YAG)透明陶瓷具有優(yōu)異的光學性能,物理化學性質(zhì)穩(wěn)定,在高溫窗口、激光材料、熒光材料等領(lǐng)域都有重要的應用[1-2]。目前常見的透明陶瓷燒結(jié)方法有真空燒結(jié)、熱壓燒結(jié)(HP)、放電等離子體燒結(jié)(SPS)、微波燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)(HIP)等[3]。其中HP能顯著提高陶瓷的致密度,燒結(jié)工藝相對簡單[4]。Lin Gan等[5]通過熱壓燒結(jié)制備出具有優(yōu)異光學性能的Y2O3透明陶瓷,樣品在1 100 nm波長時透過率為81.1%。但是,目前國內(nèi)外對于單獨通過熱壓燒結(jié)制備高透明度YAG陶瓷的報道較少,熱壓燒結(jié)制備YAG透明陶瓷需與熱等靜壓燒結(jié)、真空燒結(jié)等方式相結(jié)合,這可能是由熱壓燒結(jié)的生產(chǎn)效率有限導致的。另外,由于熱壓燒結(jié)需要使用特殊的石墨模具,這會對樣品造成不同程度的“碳污染”,使樣品的透光度下降。在放電等離子體燒結(jié)過程中同樣需要使用石墨模具。有研究表明,在SPS制備透明陶瓷的過程中,LiF作為燒結(jié)助劑不僅有助于提高陶瓷的致密度和光學性能,還具有去除“碳污染”的能力[6-9]。
阻抗譜分析是一種研究氧化物陶瓷的重要方法,常被應用于壓電陶瓷、電池材料等性能的研究[10]。此外,阻抗譜分析還可用于研究透明陶瓷的性能[11]。Marc Rubat等[12-13]以LiF作為燒結(jié)助劑,對熱壓燒結(jié)MgAl2O4透明陶瓷的光學性能及阻抗譜進行了研究。但目前國內(nèi)外對于通過阻抗譜研究YAG陶瓷性能的報道較少。
本文通過真空熱壓燒結(jié)制備出YAG透明陶瓷,結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)、阻抗譜等分析表征方法討論了LiF對熱壓燒結(jié)YAG陶瓷的光學性能、顯微結(jié)構(gòu)的影響。
實驗以氨水共沉淀法制備的YAG粉體為原料,YAG粉體粒徑為(50~100) nm,粉體顆粒呈類球狀。稱取適量的YAG粉體,加入不同質(zhì)量分數(shù)(分別為0.25%、0.50%、1.00%、1.50%)的LiF,分別以適量的無水乙醇為介質(zhì)將YAG粉體與LiF攪拌混合均勻,之后將混合粉體過篩,并于700 ℃煅燒30 min。
在石墨模具內(nèi)壁包裹特制石墨紙,分別稱取適量純YAG粉體或混合粉體直接加入模具中,進行熱壓燒結(jié),燒結(jié)過程中的真空度為10-3Pa,壓強為50 MPa,燒結(jié)曲線如圖1所示。脫模后,對陶瓷樣品進行雙面磨拋,樣品厚為1 mm。
圖1 熱壓燒結(jié)曲線
采用X線衍射儀(XRD,島津XRD-7000)對樣品進行物相分析;采用SEM(COXEM EM-30AX)對樣品的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察;樣品的密度通過阿基米德排水法進行測量;陶瓷樣品的直線透過率通過紫外-可見-近紅外分光光度計(島津SolidSpec-3700)進行測定;在樣品的兩表面涂上銀電極,通過精密阻抗分析儀(安捷倫4294)和變溫裝置對陶瓷樣品的阻抗譜進行測試,擬合過程由ZviewR軟件實現(xiàn)。
對1 400 ℃熱壓燒結(jié)1 h制備的陶瓷樣品的性能進行研究,樣品編號如表1所示。圖2為樣品2~5的XRD圖。由圖可知,當w(LiF)≤1.50%時,所有陶瓷樣品的XRD圖譜中均只有單一的YAG相。
表1 樣品編號
圖2 樣品2~5的XRD圖譜
YAG陶瓷樣品1~5的實物圖如圖3所示。未添加LiF的YAG陶瓷樣品呈灰黑色不透明狀態(tài),很難通過退火等工藝將顏色褪去;而添加LiF后,樣品顯現(xiàn)出透光狀態(tài),LiF去除“碳污染”的作用顯著。
圖3 YAG陶瓷樣品1~5的實物圖
圖4為樣品2~5在200~1 100 nm波段內(nèi)的直線透過率曲線。由圖可知,隨著LiF的質(zhì)量分數(shù)的逐漸增加,YAG陶瓷樣品的直線透過率呈現(xiàn)先增大后減小的特點。當w(LiF)=1.00%時,樣品的直線透過率最大,在1 100 nm處的透過率為58%;繼續(xù)增加LiF的質(zhì)量分數(shù),樣品的透過率反而下降。
圖4 樣品2~5的直線透過率曲線
圖5為樣品1~5的自然斷面SEM圖,圖6為樣品4、5的自然表面SEM圖。由圖5可見,樣品1不含LiF,其晶粒細小,生長不足,相對密度為95.4%;當w(LiF)=0.25%時,樣品晶粒尺寸增大,致密度顯著增加,相對密度為98.2%;當w(LiF)=0.50%時,樣品的相對密度達到99.2%,樣品晶粒充分生長;當w(LiF)=1.00%時,樣品晶粒均勻,晶界清晰無氣孔(見圖6(a)),相對密度達到99.7%;當w(LiF)=1.50%時,樣品中部分晶粒出現(xiàn)異常長大,氣孔明顯,三叉晶界處出現(xiàn)大量的熔融狀異常結(jié)構(gòu)(見圖6(b)),樣品的相對密度降為98.5%。
圖5 樣品1~5的自然斷面SEM圖
圖6 樣品4,5的表面SEM圖
有研究表明,LiF可以通過液態(tài)燒結(jié)的方式降低陶瓷的燒結(jié)溫度、促進陶瓷的致密化進程[9]。因此,隨著LiF的質(zhì)量分數(shù)的增加,YAG陶瓷的透光度逐漸提高,相對密度逐漸增大。但是,過量的LiF又會導致液相的聚集和空隙的生成,不利于陶瓷的致密化,同時還會對光線造成散射,降低YAG陶瓷的光學性能。因此,在熱壓燒結(jié)YAG透明陶瓷的過程中LiF的最佳質(zhì)量分數(shù)為1.00%。
為了進一步研究LiF對熱壓燒結(jié)YAG陶瓷性能的影響,通過阻抗譜對樣品進行了進一步的研究。由于樣品1的“碳污染”嚴重,導電方式較復雜,因而選擇樣品2、4作為阻抗譜分析對象。測試溫度為550~750 ℃,測試頻率為100 Hz~10 MHz。
圖7為樣品2、4在550~650 ℃內(nèi)的Cole-Cole圖。圖中,Z′為樣品的阻抗實部,Z″為樣品的阻抗虛部。由圖可見,隨著測試溫度的升高,兩樣品的電阻率均呈現(xiàn)減小的趨勢。圖8為樣品的Z″、電模量虛部(M″)與頻率(f)的關(guān)系圖。圖8中的每個峰都對應著一個電活性單位,其中Z″-f曲線突出電阻最大的部分,而M″-f曲線突出電容最小的部分[14]。
圖7 樣品2、4在550~650 ℃的Cole-Cole圖
圖8 樣品2、4在不同測試溫度下的Z″,M″與f的關(guān)系圖
圖7中樣品2在測試范圍內(nèi)出現(xiàn)了兩段曲率差異較大的圓弧,結(jié)合圖8可知,圖7中在低頻范圍內(nèi)出現(xiàn)的近似直線的弧線對應著電極效應的影響,較低頻段的大圓弧對應的是晶界的貢獻,由于測試頻率及測試溫度的限制,晶粒貢獻的圓弧無法在圖中顯示;樣品4則顯示出了3段曲率差異較大的弧線,其中高頻段的小圓弧對應著樣品晶粒的作用,較低頻段的大圓弧對應著樣品晶界的作用,低頻段的長弧線對應著電極效應的貢獻,并且隨著測試溫度的降低,晶粒、晶界圓弧的分離程度更明顯。
為了更好地對比兩個樣品的差異,選擇550 ℃的阻抗譜進行擬合分析,擬合過程中采用磚塊模型,等效電路如圖9所示。等效電路中引入恒相位元件(CPE)來代替電容[15],其阻抗為
(1)
式中:ω=2πf;Q和n為CPE參數(shù)。
圖9 等效電路圖
表2為樣品2、4的阻抗譜擬合結(jié)果。將電容較小(10-12量級)的單元定為晶粒,將電容較大(10-10量級)的單元定為晶界[13],則樣品4的晶界電阻大于樣品2。
表2 樣品2、4的阻抗譜擬合結(jié)果
熱壓燒結(jié)中的“碳污染”及其他雜質(zhì)主要聚集在樣品的晶界處,這會使樣品晶界的電導率增大,阻抗減小[16]。LiF對“碳污染”的凈化機理[7]可表示為
nLiF+nC→nLi″Y(Al)+nV″O+(CF)n↑
(2)
當w(LiF)=0.25%時,LiF雖然促進了YAG陶瓷的致密,使其呈現(xiàn)了一定的透光性,但對陶瓷內(nèi)部“碳污染”等雜質(zhì)的凈化能力有限,陶瓷晶界處仍然含有少量的碳,碳帶來游離的電子有利于提高晶界處的電導率。當w(LiF)=1.00%時,LiF對陶瓷內(nèi)部“碳污染”的凈化更徹底,因而晶界處的電導率較小,電阻較大。
圖10 w(LiF)=1.00%的YAG陶瓷在1 350~1 550 ℃真空熱壓燒結(jié)1 h后的直線透過率曲線
為了探究熱壓燒結(jié)YAG透明陶瓷的最佳燒結(jié)溫度,對1 350~1 550 ℃真空熱壓燒結(jié)1 h后的YAG陶瓷(w(LiF)=1.00%)的直線透過率進行了測試,結(jié)果如圖10所示。由圖可見,隨著燒結(jié)溫度的增高,樣品在整個波段內(nèi)的透過率呈先增大后減小的趨勢。其中 1 450 ℃熱壓燒結(jié)的樣品在各波段的透過率均為最高,在400 nm、1 100 nm、2 500 nm處的直線透過率分別為58%、68%和75%;而1 550 ℃熱壓燒結(jié)的YAG透明陶瓷樣品的透過率最低,在400 nm、1 100 nm、2 500 nm處直線透過率分別為15%、29%、44%。
本研究以真空熱壓燒結(jié)的方式制備了YAG透明陶瓷,通過XRD、SEM、阻抗譜分析等詳細討論了LiF對YAG陶瓷的作用機制。結(jié)論如下:
1) LiF以液相燒結(jié)的方式促進YAG陶瓷的致密化,有助于促進YAG陶瓷晶粒的增長,提高樣品的光學性能。但過量的LiF會導致在YAG陶瓷的晶界處出現(xiàn)異常的熔融結(jié)構(gòu),使YAG陶瓷的光學性能降低。
2) 阻抗譜分析顯示,添加較多LiF的YAG陶瓷的晶界電阻較大。這表明LiF有助于去除YAG陶瓷晶界處的“碳污染”等雜質(zhì),即凈化晶界,從而減少YAG陶瓷內(nèi)部雜質(zhì)對光的吸收和散射,進而提高YAG陶瓷的光學性能。
3) 熱壓燒結(jié)制備YAG透明陶瓷的最佳燒結(jié)溫度為1 450 ℃。在此燒結(jié)溫度下,當升溫速度為10 ℃/min、壓強為50 MPa、保溫時間為1 h時,YAG透明陶瓷在400 nm處的直線透過率為58%,在1 100 nm處的直線透過率為68%,在2 500 nm處的直線透過率為75%。