尖晶石型AlON透明陶瓷的结构与性能

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A12O3-AlN体系的一个重要的单相、稳定的

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：T he spinel aluminum oxynitride (AlON) 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 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 research progress composition structure properties

1 透明AlON陶瓷的研究进展

尖晶石型氮氧化铝(AlON)是A1

20

3

-AlN体系的一个重要的单相、稳定的的固

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一直到红外区的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AlON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．Yamaguchi于1946年首次证实似γ-AlON是温度高于1000℃时能稳定存在的一种尖晶石型AlON。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(γ-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

3O

3

N(A1

2

3

-AlN)。

2 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

20

3

假二元系

相图中可以看出，AlN-A1

20

3

二元系中有多种氮氧化铝相存在。根据其晶体结构，

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 structure)。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。α-AlON和φ-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

20 3

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γ-AlON。Corbin等人发现γ-AlON经氧化后组成虽发生变化，但仍保持尖晶石型结构，后称γ′-AlON。δ-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δ-AlON。φ-AlON是Michel发现的单斜系氮氧化

铝。在AlN-A1

20

3

二元系统中，尖晶石型丫一氮氧化铝(γ-AlON)是唯一一种潜在

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870℃时开始氧化，粉料在1300℃温度时完全氧化，而烧结试样在l500℃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

2一A1

2

3

+N

2

。AlON颗粒发生剥落(因而在高温下AlON只能隔绝氧使用)；

后者的原因是从立方晶格型AlON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