Y2O3对MgAl2O4透明陶瓷光学及力学性能的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0147

摘要/Abstract

摘要： 镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）透明陶瓷具有透光范围广、力学强度高、耐高温等优点，在透明装甲、红外窗口和整流罩等领域具有巨大的应用潜力。但MgAl₂O₄中的氧离子扩散系数比较低，烧结致密化难，在烧结过程中往往需要引入烧结助剂。稀土倍半氧化物在高温下不易挥发，可有效促进MgAl₂O₄陶瓷的致密化。本文以商业MgAl₂O₄粉体为原料，以Y₂O₃为烧结助剂，采用无压预烧结结合热等静压（HIP）的方法，成功制备MgAl₂O₄透明陶瓷，并采用扫描电子显微镜（SEM）、紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）分光光度计、万能试验机等测试手段对微观结构、光学和力学性能进行表征和分析。结果表明：当掺杂0.020%（质量分数）Y₂O₃的MgAl₂O₄透明陶瓷在1 525 ℃无压预烧结结合1 600 ℃ HIP后，所制得样品透过率最佳，在550和3 000 nm处透过率分别可达84.5%和87.8%，抗弯强度达333.2 MPa；与未掺杂Y₂O₃的样品相比，掺杂0.020%的MgAl₂O₄透明陶瓷的平均晶粒尺寸由8 μm减小到4 μm，抗弯强度提高了9.79%。

关键词: 镁铝尖晶石; 透明陶瓷; Y₂O₃; 烧结助剂; 透过率; 抗弯强度

Abstract: Magnesium aluminate spinel （MgAl₂O₄） transparent ceramics exhibit superior properties including broad optical transmission range， high mechanical strength， and excellent thermal stability， demonstrating significant application potential in the fields of transparent armor， infrared windows， and fairing. However， the diffusion coefficient of oxygen ions in MgAl₂O₄ is relatively low， and the sintering densification is difficult. Therefore， sintering aid is often introduced during the sintering process. Rare earth sesquioxides， being resistant to volatilization at high temperature， have been shown to effectively promote the densification of MgAl₂O₄ ceramics. This study employed commercially available MgAl?O? powder as the raw material and Y₂O₃ as the sintering aid. The MgAl₂O₄ transparent ceramics were successfully prepared through a combination of pressureless presintering and hot isostatic pressing （HIP）. The microstructure， optical and mechanical properties were systematically characterized and analyzed by scanning electron microscopy （SEM）， UV-Vis-NIR spectrophotometry， and universal testing machine. The results indicate that the MgAl₂O₄ ceramics doped with 0.020%（mass fraction） Y₂O₃ prepared by pressureless presintering at 1 525 ℃ and HIP at 1 600 ℃， the prepared sample exhibits optimal transmittance. The transmittance at 550 and 3 000 nm reaches 84.5% and 87.8%， respectively， while the flexural strength reaches 333.2 MPa. Compared with the undoped Y₂O₃ samples， the average grain size of the MgAl₂O₄ ceramics doped with 0.020% Y₂O₃ decrease from 8 μm to 4 μm， and the flexural strength is increase by 9.79%.

Key words: magnesium aluminate spinel; transparent ceramics; Y₂O₃; sintering aid; transmittance; flexural strength

中图分类号:

TQ174.1

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图/表 8

图1 MgAl2O4粉体（a）、Y2O3粉体（b）和球磨后混合粉（c）的SEM照片，以及MgAl2O4粉体及在1 550 ℃下烧结MgAl2O4陶瓷的XRD图谱（d）

Fig.1 SEM images of MgAl2O4 powder （a）， Y2O3 powder （b）， and mixed powder after ball milling （c）， and XRD patterns of MgAl2O4 powder and MgAl2O4 ceramics sintered at 1 550 ℃（d）

图2 不同预烧结条件下经1 540 ℃ HIP后制备的不同Y2O3掺杂浓度MgAl2O4透明陶瓷的透过率曲线

Fig.2 Transmission curves of MgAl2O4 transparent ceramics with different Y2O3 doping concentrations prepared by HIP at 1 540 ℃ under different presintering conditions

图3 不同预烧结条件下经1 600 ℃ HIP后制备的不同Y2O3掺杂浓度MgAl2O4透明陶瓷的透过率曲线

Fig.3 Transmission curves of MgAl2O4 transparent ceramics with different Y2O3 doping concentrations prepared by HIP at 1 600 ℃ under different presintering conditions

图4 （a）纯MgAl2O4陶瓷预烧结的烧结曲线；（b）1 525 ℃预烧结下MgAl2O4陶瓷热腐蚀表面的SEM照片；（c）掺杂0.010% Y2O3的MgAl2O4陶瓷的烧结曲线

Fig.4 （a） Sintering curves of pure MgAl2O4 ceramics after presintering；（b） SEM image of thermal corrosion surface of MgAl2O4 ceramics under presintering at 1 525 ℃；（c） sintering curves of MgAl2O4 ceramics doped with 0.010% Y2O3

图5 不同Y2O3掺杂浓度MgAl2O4透明陶瓷在不同预烧结条件下最高透过率的对比。（a）经1 600 ℃ HIP后；（b）经1 650 ℃ HIP后；（c）不同HIP温度下最佳光学质量的MgAl2O4透明陶瓷的透过率对比

Fig.5 Comparison of highest transmittance of MgAl2O4 transparent ceramics with different Y?O? doping concentrations under different presintering conditions. （a） HIP at 1 600 ℃；（b） HIP at 1 650 ℃；（c） comparison of transmittance of MgAl2O4 transparent ceramics with best optical quality at different HIP temperatures

图6 不同Y2O3掺杂浓度MgAl2O4透明陶瓷在1 525 ℃真空预烧结，经1 600 ℃ HIP后，热腐蚀表面的SEM照片

Fig.6 SEM images of thermal crrosion surface of MgAl2O4 transparent ceramics with different Y2O3 doping concentrations after presintering at 1 525 ℃ and HIP at 1 600 ℃

图7 掺杂0.020%Y2O3的MgAl2O4透明陶瓷与纯MgAl2O4透明陶瓷的力学性能

Fig.7 Mechanical properties of MgAl2O4 transparent ceramics doped with 0.020%Y2O3 and pure MgAl2O4 transparent ceramics

图8 在1 525 ℃预烧结，经1 600 ℃ HIP后，掺杂0.020% Y2O3的MgAl2O4透明陶瓷晶界的EDX分析（a）和HRTEM照片（b）

Fig.8 EDX analysis （a） and HRTEM image （b） of grain boundary of MgAl2O4 transparent ceramics doped with 0.020% Y2O3 after presintering at 1 525 ℃ and HIP at 1 600 ℃

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Y₂O₃对MgAl₂O₄透明陶瓷光学及力学性能的影响

Effect of Y₂O₃ on Optical and Mechanical Properties of MgAl₂O₄ Transparent Ceramics

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