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【用戶成果】可視化觀測技術助力高透高強陶瓷新突破

上海硅酸鹽研究所王士維教授課題組團隊在《Journal?of?the?European?Ceramic?Society》上發表了論文。本研究首次系統研究?YF??作為微量燒結助劑對8YSZ透明陶瓷的致密化行為、微觀結構、光學和力學性能的影響。

2026-04-13

DOI：10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117621

上海硅酸鹽研究所王士維教授課題組團隊在《Journal of the European Ceramic Society》上發表了題為“8 mol% Y₂O₃-stabilized zirconia (8YSZ) transparent ceramics with high optical and mechanical performance through YF₃?sintering additive”的論文。本研究首次系統研究?YF??作為微量燒結助劑對8YSZ透明陶瓷的致密化行為、微觀結構、光學和力學性能的影響。

研究背景

8YSZ（8 mol% Y?O?穩定的ZrO?）是一種具有高折射率（~2.2）和良好力學性能的透明陶瓷材料，適用于高端光學器件。然而，傳統燒結方法（如TiO?摻雜）雖能促進致密化，卻容易引發異常晶粒生長和雙折射，影響光學性能。近年來，氟化物燒結助劑（如LiF、YF?等）因其能形成低熔點液相、促進致密化、降低燒結溫度而受到關注。

實驗方法

1）常壓預燒結（PS）：1250–1375 °C，6 h，空氣。

2）熱等靜壓（HIP）：1450 °C或1550 °C，3 h，Ar氣氛，180 MPa。

3）雙面拋光至1.5 mm厚。

4）采用可視化高溫形變分析儀（TA-Z16AB，中國天津中環電爐股份有限公司），通過恒速升溫（CHR）實驗研究了致密化行為。在初始燒結過程中，以2℃/min的恒定升溫速率，通過光學非接觸法原位記錄了8YSZ生坯的尺寸變化。

性能部分

1.?收縮曲線顯示：YF??摻雜樣品在相同溫度下收縮率和瞬時密度均高于未摻雜樣品，說明?YF??顯著促進致密化。最佳摻雜量為?0.1 wt%，相對密度從?92.6%（未摻雜）提升至?97.8%（1300 °C?燒結）。

2.?光學性能

1)摻雜量為0.1 wt% YF?的樣品在600 nm處直線透過率達71.4%?(理論值的~94%)。

2)未摻雜樣品為68.6%。

3.?力學性能

1)維氏硬度：最佳樣品為?12.4 ± 0.3 GPa（1550 °C HIP）

2)彎曲強度：從?253 MPa（未摻雜）提升至?329 ± 38 MPa（0.1 wt% YF?）

4.?YF?的作用

YF??在高溫下分解，F?進入晶格替代O2?，Y3?替代Zr??，產生氧空位和間隙缺陷，增強離子擴散，促進致密化。而過量的YF?在高溫下揮發，形成氣體，留下孔隙，降低密度和透過率。

結論

YF?是一種有效的8YSZ透明陶瓷燒結助劑，促進致密化但不引起異常晶粒長大。最佳添加量為0.1 wt%。在PS 1300℃ + HIP 1550℃條件下，獲得最佳綜合性能。性能如下：透過率：71.4%@600 nm，硬度：12.4 GPa，彎曲強度：329 MPa。

中環電爐設備

可視化高溫形變分析儀，光學非接觸法測量材料燒結過程膨脹收縮。材料在變溫過程中形狀、尺寸及物態變化在線實時觀測，并通過智能化數據采集與圖像處理系統給出直觀、準確的數據及圖形報告，產品性能與國際同類產品相當，處于國內領先水平。可視化高溫形變分析儀用于材料研發與制造，有助于精確制定材料燒結工藝或熱處理工藝，提高產品質量，降低生產成本。

主要功能

·◆ 高溫測試：最高使用溫度 1600℃/2000℃/2400℃

·◆ 實時動態測量燒結過程中收縮形變：非接觸測量和記錄樣品燒結過程中高度、寬度和面積隨溫度變化曲線

·◆ 判斷各特征溫度：燒結點、軟化點、球化、半球化、熔點