红外透明(Sc x Y1-x )2O3-MgO复相陶瓷的制备与性能

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240183

摘要/Abstract

摘要：

Sc₂O₃-MgO复相陶瓷是一种极具发展潜力的新型红外陶瓷材料，但较低的红外透过率限制了其应用.采用溶胶-凝胶法和热压烧结方法制备了不同原子分数Y₂O₃的Sc₂O₃-MgO复相陶瓷，并对其物相、微观结构和红外透过率进行了表征与研究.通过对比常压烧结样品的相对密度，发现Y₂O₃对(Sc _x Y_1-_x )₂O₃-MgO陶瓷的致密化有促进作用.利用热压烧结技术获得了相对密度高于99%的一系列(Sc _x Y_1-_x )₂O₃-MgO陶瓷.XRD结果表明，Y₂O₃与Sc₂O₃的比例较为接近（x=0.4~0.6）时，(Sc _x Y_1-_x )₂O₃-MgO复相陶瓷中生成具有光学各向异性的钙钛矿型ScYO₃相.用原子分数为20%的Y₂O₃代替部分Sc₂O₃形成低熔点的(Sc_0.8Y_0.2)₂O₃固溶体后，Sc₂O₃-MgO复相陶瓷的平均晶粒尺寸由498 nm降低至260 nm.在此基础上添加原子分数为3%的 Zr⁴⁺为烧结助剂，制备得到原子分数为3%的Zr⁴⁺:(Sc_0.8Y_0.2)₂O₃-MgO复相陶瓷，其具有190 nm的细小晶粒，最高红外透过率可达到85%.在保证高相对密度的条件下，复相陶瓷的晶粒细化是改善光学透过率的主要原因.

关键词: Sc₂O₃-MgO, 复相陶瓷, 红外透明, 微观结构, 组分调控

Abstract:

Sc₂O₃-MgO composite ceramics is a highly promising new type of infrared ceramic material， but its application is limited due to its low infrared transmittance. Sc₂O₃-MgO composite ceramics， incorporating varying atomic fractions of Y₂O₃， were fabricated via the sol-gel method and hot-press sintering. The phase composition， microstructure， and infrared transmittance of these ceramics were subsequently characterized and investigated， revealing that Y₂O₃ promoted the densification of （Sc _x Y_1-_x ）₂O₃-MgO ceramics by comparing the relative densities of the pressureless sintered samples. A series of （Sc _x Y_1-_x ）₂O₃-MgO ceramics with a ralative density higher than 99% were obtained using hot-press sintering technology. XRD results indicate that the perovskite-type ScYO₃ phase with optical anisotropy is generated in the （Sc _x Y_1-_x ）₂O₃-MgO composite ceramics when the ratio of Y₂O₃ to Sc₂O₃ is close （x=0.4~0.6）. The average grain size of the Sc₂O₃-MgO composite ceramics decreased from 498 nm to 260 nm by replacing part of Sc₂O₃ with 20% Y₂O₃ atomic fraction to form a （Sc_0.8Y_0.2）₂O₃ solid solution with a low melting point. On this basis， Zr⁴⁺ with a 3% atomic fraction was added as a sintering aid to prepare a Zr⁴⁺：（Sc_0.8Y_0.2）₂O₃-MgO composite ceramics， fine grains of 190 nm， and a maximum infrared transmittance of 85%. Grain refinement of composite ceramics is the main factor in improving optical transmittance while ensuring high density.

Key words: Sc₂O₃-MgO, composite ceramics, infrared transparent, microstructure, component regulation

中图分类号:

TQ 174.75

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图/表 9

图1 不同原子分数Y2O3的(Sc x Y1-x )2O3-MgO复相陶瓷在1 500 °C温度下常压烧结4 h的相对密度

Fig.1 Relative density of (Sc x Y1-x )2O3-MgO composite ceramics with different Y2O3 atomic fractions pressureless sintering at 1 500 °C for 4 h

图2 不同原子分数Y2O3的(Sc x Y1-x )2O3-MgO复相陶瓷热压烧结后的XRD谱

Fig.2 XRD spectra of (Sc x Y1-x )2O3-MgO composite ceramics with different Y2O3 atomic fractions after hot-press sintering

图3 不同原子分数Y2O3的(Sc x Y1-x )2O3-MgO复相陶瓷热压烧结后的微观结构（a）—0%；（b）—20%；（c）—40%；（d）—50%；（e）—60%；（f） —80%；（g）—100%.

Fig.3 Microstructure of (Sc x Y1-x )2O3-MgO composite ceramics with different Y2O3 atomic fractions after hot-press sintering

图4 不同原子分数Y2O3的(Sc x Y1-x )2O3-MgO复相陶瓷热压烧结后的平均晶粒尺寸

Fig.4 Average grain size of (Sc x Y1-x )2O3-MgO composite ceramics with different Y2O3 atomic fractions after hot-press sintering

图5 不同原子分数Y2O3的(Sc x Y1-x )2O3-MgO复相陶瓷热压烧结后的相对密度

Fig.5 Relative density of (Sc x Y1-x )2O3-MgO composite ceramics with different Y2O3 atomic fractions after hot-press sintering

图6 不同保温时间烧结的原子分数为3%的Zr4+:(Sc x Y1-x )2O3-MgO复相陶瓷的XRD谱

Fig.6 XRD spectra of Zr4+:(Sc x Y1-x )2O3-MgO composite ceramics with 3% Zr4+ atomic fractions under different holding time after sintering

图7 不同保温时间烧结的Zr4+原子分数为3%的Zr4+: (ScxY1-x)2O3-MgO复相陶瓷的微观结构（a）—3 min；（b）—5 min；（c）—10 min；（d）—20 min.

Fig.7 Microstructure of Zr4+:(Sc x Y1-x )2O3-MgO composite ceramics with 3% Zr4+ atomic fractions under different holding time after sintering

图8 Zr4+原子分数为3%的Zr4+:(Sc0.8Y0.2)2O3-MgO复相陶瓷在不同保温时间烧结的相对密度和晶粒尺寸（a）—相对密度；（b）—晶粒尺寸.

Fig.8 Relative density and grain size of Zr4+:(Sc0.8Y0.2)2O3-MgO composite ceramics with 3% Zr4+ atomic fractionsunder different holding time after sintering

图9 不同组分的复相陶瓷的红外透过率

Fig.9 Infrared transmittance of composite ceramics with different components

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红外透明(Sc _x Y_1-_x )₂O₃-MgO复相陶瓷的制备与性能

Preparation and Properties of Infrared Transparent (Sc _x Y_1-_x )₂O₃-MgO Composite Ceramics

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