改性Ba(Mg1/3Nb2/3)O3透明陶瓷的制备与性能研究

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与玻璃、单晶相比,透明陶瓷不仅具有良好的透明性,而且能在高温高压高腐蚀的环境下工作,并具有许多其他优良的性质,比如高热导性、高强度、高硬度和优良的介电性能等,所以透明陶瓷逐渐在光学照明技术、高温技术以及无线电子技术等领域获得日益广泛的应用。本文采用固相法制备了M4+:Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(M=Sn, Zr)透明陶瓷,研究了烧结工艺和M4+的添加量对陶瓷晶体结构、微观形貌和光学性能的影响;分析了透明陶瓷透光性的影响因素,并探讨了微观结构与宏观性能的相关性;同时,对Sm3+掺杂Ba(Sn, Mg, Nb)O3透明陶瓷的光致发光性能做了初步研究。(1)采用热分析、X射线衍射分析、粒度分析和扫描电镜等测试手段分析了制备工艺对Sn4+: Ba(Mg1/3Nb2/3)O3透明陶瓷结构的影响,其结果表明:当Sn4+的添加量高于10mol%时,陶瓷属于不具有双折射的立方晶型,添加量增加到15mol%出现了第二相。而且发现随着烧结时间和烧结温度的增加,陶瓷的致密度先增加到最大值后下降。确定了Sn4+: Ba(Mg1/3Nb2/3)O3透明陶瓷的最佳烧结制度为1550℃保温48h,此时陶瓷的致密度达到其理论密度的99.84%,晶粒较大且均匀,晶界区域较少且不含杂相。(2)分析了烧结时间、烧结温度和Sn4+添加量对陶瓷光学性能的影响。当烧结制度为1550℃保温48h时,Sn4+: Ba(Mg1/3Nb2/3)O3透明陶瓷在可见光波长范围内的透过率达到了53%,其折射率高达2.09-2.22。透明陶瓷的透光性主要受晶体结构和显微结构的影响,对于各向同性的Sn4+: Ba(Mg1/3Nb2/3)O3透明陶瓷来说,当其气孔率低于0.5%,晶粒均匀且较大(25μm),晶界区域较少且不含杂相时具有较高的透光性。同时,Sn4+: Ba(Mg1/3Nb2/3)O3透明陶瓷仍然保持较好的微波介电性能: r=31.74,Q×f=25499GHz, f=+17.73ppm/℃。(3)分析了制备工艺对Zr4+: Ba(Mg1/3Nb2/3)O3透明陶瓷的结构与光学性能的影响。当Zr4+的添加量达到15mol%以上时,陶瓷属于立方晶型,Zr4+掺杂使得陶瓷具有各向同性;当Zr4+的添加量达到20mol%,陶瓷中存在第二相。Zr4+:Ba(Mg1/3Nb2/3)O3透明陶瓷最佳烧结工艺为1550℃保温48h,此时陶瓷的相对致密度达到99.74%,透过率高达50%。分析了显微结构(气孔率、晶粒尺寸和晶界结构)对Zr4+: Ba(Mg1/3Nb2/3)O3陶瓷透光性的影响,认为致密度高,晶粒大小在5μm左右,不含第二相的样品透光性能最好。(4)研究了Sm3+掺杂Ba(Sn, Mg, Nb)O3透明陶瓷的光致发光性能。通过测试不同Sm3+掺杂量粉体的吸收光谱,发现Sm3+掺杂量为1mol%的曲线上可以观察到407nm和468nm两处出现吸收峰。对Sm3+掺杂Ba(Sn, Mg, Nb)O3透明陶瓷监控407nm激发时,可观察到明显的黄光(562nm)、橙光(597nm)和红光(643和703nm);监控597nm发射时,可分别观测到346、363、379、407、419、437、462、480、498和527nm处存在激发峰,其中407nm为材料的有效激发峰,这些荧光峰均属于Sm3+的4f-4f辐射跃迁。所以,Sm3+掺杂Ba(Sn, Mg,Nb)O3透明陶瓷具有用作近紫外LED激发的潜力。
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