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Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷机械性能和热性能评价研究

张舟  
【摘要】:透明结构陶瓷具有传统陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击、高硬度、高强度、良好的电绝缘性能等特点,此外还具有优秀的光学性能,在紫外、可见光、红外光等波段具有良好的光学透过率,被广泛应用于导弹整流罩、高温光学窗口、透明装甲以及手机屏幕、高级摄像镜头等领域。本课题组经前期研究已成功制备出来具有高光学透过率的Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)新型透明陶瓷。相较于AlON透明陶瓷,Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)具有更宽的光学透过范围,但是对其机械性能、热学性能研究还不充分,而对材料性能的全面评价是透明陶瓷应用的基础。本研究以合成的Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)陶瓷粉体为原料,通过无压预烧结合热等静压烧结法制备了高光学透过率为Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷。基于AlON与MgAl_2O_4材料物理性能的测试技术,全面评价了Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷材料光学、热学及机械性能。表征了材料在不同载荷以及载荷加载速率下的室温机械性能以及高温断裂强度,研究了上述条件下机械性能的变化规律;测定了材料的线热膨胀系数及热导率,计算了材料的耐热震系数。并将结果与MgAl_2O_4和AlON等同类材料进行了比较。研究结果表明:Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷样品的光学透过率在0.38到4.34μm波长范围内达80%以上,最大直线透过率出现在3.4μm处为84%,材料的折射率随入射光波波长的增大而减小,并始终介于MgAl_2O_4与AlON材料之间。Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷室温下的特征断裂强度σ=255±12 MPa,断裂韧性K_(1c)=2.56±0.11 MPa/m~(1/2),杨氏模量E=312±15 GPa,硬度HV1=15.1±0.4GPa,样品的Weibull模数m=4.5;1200℃下样品抗弯强度达125±23MPa;材料的裂纹缓慢扩展系数n~11,D~270 MPa;材料的热导率K=12.6[W/(m_·k)],热膨胀系数α=5.8×10~(-6) K~(-1),计算得到材料的第一热应力因子R=0.11,第二热应力因子R′=1.36。研究还发现:由于压痕尺寸效应的作用导致Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷的硬度测试值随载荷增大逐渐降低并趋于稳定,与AlON、MgAl_2O_4陶瓷的变化趋势基本一致。由于裂纹缓慢扩展的作用导致Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷断裂强度随载荷加载速率的减小而逐渐降低,同时其断裂形式为混合断裂,存在典型的脆性固体断裂特征。随着温度逐渐上升,Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷的断裂强度降低,但下降速度要慢于AlON。由于Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷的化学组成、结构与AlON、MgAl_2O_4相近,同时晶体化学键合强度介于两者之间,因此Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷的红外截止波长短于MgAl_2O_4,而长于AlON。上述研究表明Mg_(0.27)Al_(2.58)O_(3.73)N_(0.27)透明陶瓷是光学、机械、热学性能介于AlON和MgAl_2O_4之间,是一种具有良好机械性能与热性能的光学材料。


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