Cases
【應用案例】超快速高溫燒結兩步法制備高透明AlON陶瓷的新策略
2025-12-19
https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221182
大連海事大學單英春教授團隊在期刊《Journal of Advanced Ceramics》上發表了題為“A novel two-step sintering strategy for highly transparent AlON ceramics by combination of ultra-fast high-temperature sintering followed by conventional sintering”的論文。研究中通過超快速高溫燒結和常規燒結方法相結合，兩步法成功制備出了在350-4900nm寬波長范圍內透射率≥80%的高透明AlON陶瓷。
研究背景
研究方法與實驗設計
1.?核心燒結策略
提出“超快速高溫燒結(UHS)+常規燒結(CS)”兩步法：先6000℃/min的超快升溫速率加熱至1850℃保溫2分鐘（UHS階段），再以50℃/min升溫至1880℃保溫120分鐘（CS階段）。
2.?對照組設計
設置純UHS組（1850℃保溫2分鐘）和純CS組（1880℃保溫120分鐘），對比三組樣品的相對密度、孔隙特征、晶粒尺寸、透光率及硬度等性能。
3.?原料與表征
原料：采用碳熱還原氮化法自制單相AlON粉體，摻雜0.15wt%納米Y?O?（平均粒徑30.44nm）作為燒結助劑；
表征手段：X射線衍射（XRD）、激光粒度分析、掃描電子顯微鏡（SEM）、拉曼光譜、金相顯微鏡、阿基米德法、分光光度計/紅外光譜儀（透光率測試）、維氏硬度計。
核心研究結果
1.光學性能
兩步法樣品在350-4900nm寬波長范圍內透光率≥80%，400nm處透光率80.71%，3750nm處達最大值84.73%，顯著優于純CS組（400nm處僅58.82%）（圖4）；
2.微觀結構特征
相對密度：UHS階段后達97.43%，經CS后提升至99.71%，高于純CS組的99.30%（圖6、表1）；
孔隙特征：兩步法樣品孔隙尺寸僅0.11-0.37μm，且數量少、分布均勻，而純CS組孔隙尺寸為0.45-2.40μm（圖6、表1）；
晶粒尺寸：兩步法樣品平均晶粒尺寸47.06μm，遠小于文獻報道的100-200μm，且粒度分布更均勻（圖7、圖9）。
3.力學性能
維氏硬度高達19.57±0.23GPa，高于純CS組（16.69±0.43GPa）及文獻報道的同類無壓燒結AlON陶瓷（圖10、表11）。
4.兩步法致密化機制
UHS的關鍵作用：超快升溫速率抑制AlON低溫分解（圖11）和微觀結構粗化（圖12），形成高致密度、細晶粒（多數≤8μm）及非平衡晶界的預燒體，非平衡晶界降低晶界擴散激活能，為后續快速致密化奠定基礎；
CS的補充作用：短時間保溫即可消除UHS預燒體中的殘留孔隙，實現完全致密化，同時避免晶粒過度生長。
研究意義及價值
1.技術突破：解決了傳統燒結“長時保溫-晶粒粗化-性能下降”的惡性循環，將高透明AlON陶瓷的總燒結時間從傳統的2.5-30小時縮短至122分鐘，大幅降低能耗與成本；
2.性能優勢：制備的AlON陶瓷兼具寬波段高透光性和高硬度，且工藝適用于大規模、復雜形狀構件制備，具備實際應用潛力；
3.科學價值：闡明了UHS誘導非平衡晶界調控致密化與晶粒生長的協同機制，為透明陶瓷的高效制備提供了新范式。
設備介紹
天津中環焦耳熱快燒爐系列
UHS-3000基礎款
UHS-3000PLUS（保溫/脈沖款）
聯系方式
地址: 天津北辰科技園區雙川道11號
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