金屬離子和檸檬酸的配比對(duì)Y2O3-MgO納米粉體及其納米復(fù)相陶瓷性能的影響

陳冠宇,吳 南,楊 康,王元帥,孫旭東,4,李曉東

(1.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819；2.東北大學(xué)材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819； 3.沈陽大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110044；4.東北大學(xué)佛山研究生院，佛山 528311)

0 引 言

多晶透明陶瓷具有良好的力學(xué)性能和光學(xué)性能，在紅外窗口應(yīng)用方面具有很大潛力[1-4]。當(dāng)紅外窗口應(yīng)用于一些極端環(huán)境時(shí)，其光學(xué)性能會(huì)嚴(yán)重下降[5]。為了滿足極端環(huán)境下的服役要求，紅外透明陶瓷不僅需要具備優(yōu)異的紅外透明性，還需要具有高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱沖擊性能[5-6]。Y2O3透明陶瓷具有從紫外到紅外寬波長范圍內(nèi)的高透過率，但制備過程中無法避免的晶粒粗化會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用[7]。

引入MgO制備的Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能優(yōu)于Y2O3陶瓷,在Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷體系中，MgO相可通過晶界處的“釘扎效應(yīng)”有效抑制Y2O3相的晶粒生長，反之亦然[8-10]。減小的晶粒尺寸將減少不同物相晶粒間的光散射，不僅可以增加納米復(fù)相材料的光學(xué)透明度，還可以提高其力學(xué)性能和抗熱震性[11]。因此，Y2O3-MgO復(fù)相陶瓷具有優(yōu)于Y2O3或MgO單相多晶陶瓷的光學(xué)和力學(xué)性能。要制備具有細(xì)小晶粒、均勻微觀結(jié)構(gòu)和均勻相域(phase domain)的復(fù)相陶瓷，首要任務(wù)是合成高純度的納米復(fù)合粉體。目前制備Y2O3-MgO復(fù)合粉體的方法主要有球磨法、微波誘導(dǎo)燃燒法和溶膠-凝膠法等[12-14]。溶膠-凝膠法因合成溫度低、成本低、成分精確控制和物相分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于Y2O3-MgO納米復(fù)合粉體的合成[8-9,14-16]，但其缺點(diǎn)在于合成的納米粉體團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重。溶膠-凝膠法合成納米復(fù)合粉體時(shí)，金屬離子與螯合劑的摩爾比(m/c)會(huì)影響粉體的形貌與團(tuán)聚狀態(tài)。在以前的研究中，大部分研究者關(guān)注的是金屬離子與螯合劑的m/c對(duì)合成的單相粉體性能的影響，而對(duì)納米復(fù)合粉體性能及陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的影響研究較少?；谶@一點(diǎn)，Muoto等[9]和Xu等[15]通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的m/c來降低納米復(fù)合粉體的團(tuán)聚程度。在硝酸鹽的前驅(qū)液中加入使反應(yīng)體系處于化學(xué)計(jì)量比的醋酸銨，可以得到相域尺寸小且分布均勻的納米復(fù)合粉體，這是因?yàn)橥饧尤剂峡梢允轨褵^程中粉體的結(jié)晶速率加快，從而減少結(jié)晶化過程中相分離的時(shí)間，最終相域尺寸被減小，分布更加均勻[9]。以葡萄糖做螯合劑，反應(yīng)體系處于燃料過剩狀態(tài)時(shí)(m/c<1)，Y2O3-MgO納米復(fù)合粉體具有最大的比表面積和最小的團(tuán)聚程度[15]。在先前的研究[16-17]中，本課題組也通過調(diào)節(jié)當(dāng)量比合成了低團(tuán)聚程度的納米復(fù)合粉體，從而獲得性能優(yōu)異的Gd2O3-MgO及Lu2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷。檸檬酸作為螯合劑能有效地促進(jìn)溶膠-凝膠反應(yīng)的進(jìn)行，使凝膠自燃反應(yīng)更加充分。然而檸檬酸含量過多會(huì)使反應(yīng)不充分，殘留較多有機(jī)物；檸檬酸含量過少時(shí)，絡(luò)合作用減弱，會(huì)使兩相分布不均勻，所以需要選擇合適的硝酸鹽和檸檬酸的配比。

本文采用溶膠-凝膠法合成高比表面積的Y2O3-MgO納米復(fù)合粉體,研究了不同金屬離子與檸檬酸的m/c對(duì)前驅(qū)體的熱分解過程和Y2O3-MgO納米復(fù)合粉體團(tuán)聚程度的影響，探討了其影響機(jī)制。隨后利用優(yōu)化后的納米粉體，采用熱壓燒結(jié)技術(shù)，獲得了相域分布均勻,晶粒尺寸細(xì)小,光學(xué)及機(jī)械性能優(yōu)異的Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

所用Y2O3為瑞爾化學(xué)科技有限公司純度為99.999%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的商業(yè)粉體,MgO為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司純度為98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的化學(xué)試劑,一水合檸檬酸、乙二醇和硝酸為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司純度為優(yōu)級(jí)純的化學(xué)試劑。

1.2 粉體配制

硝酸鹽溶液的制備方法是將Y2O3和MgO分別置于不同燒杯中并加入定量的去離子水，攪拌，逐步加入適量硝酸，水浴加熱并繼續(xù)攪拌至溶液變成透明時(shí)，定容，過濾，配成0.5 mol/L的Y(NO3)3溶液和1.0 mol/L的Mg(NO3)3溶液備用。

檸檬酸溶液的制備：將一水合檸檬酸置于燒杯中并加入適量的去離子水，攪拌至溶液變成透明時(shí)，定容，過濾，配成0.5 mol/L的檸檬酸溶液。

根據(jù)復(fù)相陶瓷中Y2O3相與MgO相的體積比為50 ∶50，分別量取一定量的Y(NO3)3和Mg(NO3)3溶液置于燒杯中，隨后按照m/c分別為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50，將適量檸檬酸溶液加入至上述混合溶液中，常溫?cái)嚢枰欢〞r(shí)間，加入適量乙二醇做酯化劑，隨后充分?jǐn)嚢柚钡将@得無色透明溶膠。將得到的凝膠于240 ℃干燥處理制成前驅(qū)體，隨后將前驅(qū)體于600 ℃煅燒10 h得到Y(jié)2O3-MgO納米復(fù)合粉體。

1.3 納米復(fù)相陶瓷的制備

將不同m/c合成的粉體采用鋼膜雙向壓制方式成型(100 MPa)，制得兩種不同形狀的陶瓷生坯，分別為φ25 mm×4 mm的圓形生坯和截面尺寸為50 mm×20 mm的長方體生坯。隨后將Y2O3-MgO生坯放入石墨模具中以27 ℃/min升溫至1 350 ℃，并在45 MPa下保溫30 min。將燒結(jié)的復(fù)相陶瓷在空氣中進(jìn)行退火處理。圓形陶瓷的退火溫度為1 100 ℃，退火時(shí)間為20 h，隨后進(jìn)行磨拋處理；長方體陶瓷的退火溫度為1 150 ℃，退火時(shí)間為48 h，退火后的樣品切割成3 mm×4 mm×36 mm，最后對(duì)其進(jìn)行磨拋處理。

1.4 樣品表征

采用差熱/熱重(DSC/TG)分析儀(法國，SETARAM，SETSYS Evolution-16)以10 ℃/min的升溫速率測定前驅(qū)體在空氣氣氛下室溫～1 000 ℃的熱分解行為。

采用X射線衍射儀(日本，理學(xué)株式會(huì)社，型號(hào)PW3040/60)對(duì)納米粉體進(jìn)行物相分析，測試條件為：Cu-Kα輻射，管電壓40 kV，管電流200 mA，掃描范圍2θ為10°～90°。根據(jù)衍射圖譜利用Scherrer公式計(jì)算Y2O3-MgO復(fù)合粉體的晶粒尺寸。

(1)

式中：K為常數(shù)，0.89；λ為衍射波長，nm；β為半峰全寬，rad；θ為1/2衍射角；DXRD為晶粒尺寸，nm。

采用比表面與孔隙分析儀(美國，麥克儀器，型號(hào)TriStar 3020)來表征比表面積，并利用BET公式估算出復(fù)合粉體的平均顆粒尺寸DBET：

(2)

式中：ρ為樣品密度，g·cm-1；SBET為樣品比表面積，m2·g-1；DBET為平均顆粒尺寸，nm。DBET與DXRD的比值可以反映出納米粉體的團(tuán)聚程度，團(tuán)聚因子(φ)值越小，越接近1，說明粉體的團(tuán)聚程度越低。

(3)

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，日本，電子株式會(huì)社，型號(hào)JSM-7001F)表征陶瓷樣品(腐刻溫度1 100 ℃，時(shí)間10 h)的微觀形貌，并用截線法計(jì)算樣品(每個(gè)樣品取≥200個(gè)截距)的平均晶粒尺寸。采用電子天平(德國，Sartorius公司，BS224S型)，根據(jù)阿基米德法測試并計(jì)算相對(duì)密度；采用紅外光譜儀(美國，TFS，型號(hào)Nicolet is 5)對(duì)磨拋好的Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷進(jìn)行紅外透過測試。

采用維氏顯微硬度計(jì)(美國，沃伯特公司，型號(hào)401MVD)測量樣品的硬度及斷裂韌性，應(yīng)用載荷力1 kg，保壓時(shí)間10 s(每個(gè)樣品測10個(gè)點(diǎn)，最后取其平均值)。維氏硬度的計(jì)算公式為：

(4)

式中：HV為維氏硬度，GPa；P為載荷，N；S為壓痕凹面面積，mm2；θ為金剛石壓頭對(duì)面角，136°；d為壓痕對(duì)角線的平均長度，mm。

斷裂韌性(KIC)的計(jì)算公式為：

(5)

式中:l為裂紋長度，mm；a為壓痕對(duì)角線半長，mm，c=l+a；H為被測材料的硬度，MPa；E為材料的彈性模量。

采用萬能試驗(yàn)機(jī)(美國，MTS Industrial Systems (China) Co., Ltd.，型號(hào)CMT-5105)測量樣品的抗彎強(qiáng)度，支點(diǎn)跨距設(shè)定為24 mm，壓頭加載速率為0.5 mm/min，每組取10個(gè)試樣的平均值?？箯潖?qiáng)度計(jì)算公式如式(6)所示：

(6)

式中：L為支點(diǎn)跨距，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm；σf為抗彎強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬離子和檸檬酸的摩爾比對(duì)前驅(qū)體熱分解過程的影響

圖1為按不同m/c制備的前驅(qū)體在空氣氣氛下的熱分解行為曲線。在m/c=0.25的體系中，可以觀察到前驅(qū)體有四步失重過程(如圖1(a) 所示)。第一步為室溫～175 ℃，是由前驅(qū)體中殘留的吸附水和結(jié)晶水的失去所致，在DSC曲線上出現(xiàn)了85 ℃和173 ℃兩個(gè)吸熱峰。第二步為175～199 ℃呈現(xiàn)出一個(gè)突然的失重，在DSC曲線上出現(xiàn)了191 ℃尖銳的放熱峰，這是因?yàn)榍膀?qū)體在該溫度下被點(diǎn)燃，檸檬酸聚合物與硝酸根之間發(fā)生了劇烈的氧化還原反應(yīng)，有機(jī)中間產(chǎn)物生成的同時(shí)，反應(yīng)體系放出大量的氣體和熱量。第三步失重為199～487 ℃，DSC曲線上分別在423 ℃和456 ℃出現(xiàn)了兩個(gè)放熱峰，這是中間產(chǎn)物的分解所導(dǎo)致。第四步失重為487～631 ℃，DSC曲線上在524 ℃處出現(xiàn)尖銳的放射峰，這是前驅(qū)體中殘留的有機(jī)物進(jìn)一步分解和氧化物的形成所致。

圖1 不同金屬離子和檸檬酸摩爾比前驅(qū)體的熱分析曲線Fig.1 Thermal analysis curves of precursors with different molar ratios of metal ions to citric acid

在m/c=0.50的體系中，如圖1(b)所示，同樣觀察到前驅(qū)體的分解有四步失重過程，前三步的分解反應(yīng)特征與m/c=0.25的前驅(qū)體的分解反應(yīng)特征相似。然而，從496 ℃到647 ℃的第四步失重過程可以看出DSC曲線上514 ℃放熱峰的強(qiáng)度明顯降低，這是因?yàn)榉磻?yīng)體系中檸檬酸含量減少，反應(yīng)過程中生成的有機(jī)物含量隨之減少，有機(jī)物分解過程與m/c=0.25的前驅(qū)體進(jìn)行比較，分解反應(yīng)進(jìn)行的較為緩慢，最終導(dǎo)致放熱峰寬化，且強(qiáng)度減弱。

當(dāng)反應(yīng)體系中m/c=0.75和1.00時(shí)，結(jié)果如圖1(c)和(d)所示。兩個(gè)前驅(qū)體樣品因被點(diǎn)燃而出現(xiàn)突然的失重。但因?yàn)槿剂咸砑恿枯^少，200 ℃左右的放熱峰強(qiáng)度明顯降低。DSC曲線上462 ℃左右的放熱峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，這是有機(jī)物大量分解所致。之后出現(xiàn)的放熱峰較寬，是因?yàn)榇蟛糠秩剂显谥暗难趸€原反應(yīng)中被消耗，所以后續(xù)反應(yīng)較為溫和。

當(dāng)反應(yīng)體系中m/c=1.25和1.50時(shí)，結(jié)果如圖1(e)和(f)所示。雖然前驅(qū)體樣品同樣有四步失重過程，但樣品的熱分解特性與前四組截然不同。雖然兩個(gè)樣品在200 ℃左右仍然出現(xiàn)了放熱峰，但第二步的失重速率較前四組樣品明顯降低，表明在反應(yīng)過程中可能形成了不同的中間產(chǎn)物[8]。此外，反應(yīng)體系中燃料含量的減少，導(dǎo)致一些未反應(yīng)的化合物殘留在樣品中，這可能也是失重速率發(fā)生變化的原因所在[16]。

2.2 金屬離子和檸檬酸的摩爾比對(duì)納米復(fù)合粉體性能的影響

圖2 不同m/c摩爾比合成納米粉體的XRD譜Fig.2 XRD patterns of nano-powders synthesized at different molar ratios of metal ions to citric acid

圖2為按不同m/c合成Y2O3-MgO納米粉體的XRD譜。所有樣品的衍射峰完全與標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS 43-0661和JCPDS 45-0946一致，說明合成的納米復(fù)合粉體是由立方Y(jié)2O3和立方MgO組成，表明m/c的變化并未影響樣品的物相。表1顯示了按不同m/c合成的納米復(fù)合粉體樣品的晶粒尺寸、比表面積及團(tuán)聚因子結(jié)果。隨著m/c從0.25增大到0.75，樣品的團(tuán)聚因子從2.3下降至最低(φ=1.8)，說明m/c增大降低了納米復(fù)合粉體的團(tuán)聚程度，然而當(dāng)m/c繼續(xù)增大至1.50時(shí)，團(tuán)聚因子又增大至2.7，說明繼續(xù)增大m/c對(duì)降低粉體團(tuán)聚程度具有不利影響。

m/c的變化對(duì)納米復(fù)合粉體的團(tuán)聚程度影響很大，結(jié)合圖1的結(jié)果，推斷Y2O3-MgO納米粉體的團(tuán)聚程度與前驅(qū)體的熱分解行為有關(guān)。當(dāng)m/c值為0.25、0.50及0.75時(shí)，前驅(qū)體在分解過程中，DSC曲線上都出現(xiàn)了尖銳的放熱峰，且TG曲線伴有突然的失重，這說明前驅(qū)體在瞬間完成分解，這樣就可以提高反應(yīng)速率，減少反應(yīng)過程中的相分離時(shí)間，從而有利于得到團(tuán)聚程度低、相域細(xì)小且兩相分布均勻的納米復(fù)合粉體[8]。此外，足量的檸檬酸在反應(yīng)過程中可以提供更多的羥基羧酸，使金屬陽離子更好地分布在聚酯介質(zhì)中，從而降低納米復(fù)合粉體的團(tuán)聚程度[18]。隨著m/c進(jìn)一步增加至1.00和1.50，檸檬酸含量減少，粉體的團(tuán)聚因子逐漸增加，這是因?yàn)闄幟仕岷康臏p少，使反應(yīng)體系無法提供金屬陽離子均勻分布所需的羥基羧酸，從而納米復(fù)合粉體出現(xiàn)團(tuán)聚。此外，沒有足夠的燃料去消耗硝酸鹽，且由于反應(yīng)空間有限，過量的硝酸鹽會(huì)在已經(jīng)形成的顆粒表面上進(jìn)行分解反應(yīng)，最終導(dǎo)致納米復(fù)合粉體的團(tuán)聚程度加劇[15]。然而，雖然當(dāng)m/c為0.25時(shí)，反應(yīng)體系中的檸檬酸含量要高于m/c為0.75的樣品，但其團(tuán)聚因子要高于m/c為0.75的樣品，這可能是因?yàn)樵谇膀?qū)體的自燃燒過程中，過多的檸檬酸產(chǎn)生了大量的有機(jī)成分，其在隨后的分解過程中釋放出大量的熱量，從而使粉體更易團(tuán)聚。DSC曲線上524 ℃處尖銳的放熱峰(如圖1(a)所示)也表明了有機(jī)成分在隨后的分解過程中反應(yīng)較為劇烈。

表1 不同摩爾比金屬離子和檸檬酸合成粉體的晶粒尺寸、顆粒尺寸及團(tuán)聚因子Table 1 Grain size、particle size and agglomeration factor of powders synthesized at different molar ratios of metal ions to citric acid

2.3 金屬離子和檸檬酸摩爾比對(duì)紅外透明陶瓷微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響

圖3(a)～(f)為按不同m/c合成的納米粉體制備出的Y2O3-MgO復(fù)相陶瓷的SEM照片。由于兩相質(zhì)厚襯度的差異，亮的區(qū)域?yàn)閅2O3，暗的區(qū)域?yàn)镸gO[17]。圖3(g)為六組樣品的相對(duì)密度和平均晶粒尺寸。從圖中可知，m/c對(duì)Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)影響極大。當(dāng)m/c從0.25到0.75，樣品的相域均勻性得到明顯改善。隨著m/c的增大，樣品的相域尺寸及平均晶粒尺寸明顯減小。但隨著m/c逐漸增大至1.50，樣品的相域均勻性變差，兩相晶粒出現(xiàn)較為明顯的粗化現(xiàn)象?？紤]到m/c對(duì)納米復(fù)合粉體團(tuán)聚程度的影響，可知其團(tuán)聚程度影響了熱壓燒結(jié)后納米復(fù)相陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。低團(tuán)聚程度的納米復(fù)合粉體具有小的相域尺寸及均勻的分布，燒結(jié)期間可以發(fā)揮更好的“釘扎效應(yīng)”，抑制晶粒的生長，更利于制備出相域均勻且晶粒細(xì)小的納米復(fù)相陶瓷(如圖3(c)所示)。這是因?yàn)樵跓Y(jié)過程中，兩相化學(xué)成分的差異，尺寸細(xì)小且分布均勻的相域會(huì)導(dǎo)致兩相晶界間長距離的物質(zhì)傳遞，從而達(dá)到抑制晶粒生長的目的。然而對(duì)于團(tuán)聚程度較高的納米復(fù)合粉體來說，相同組分的納米顆粒更易形成團(tuán)聚體，這樣燒結(jié)期間的傳質(zhì)過程只需要跨越同相晶界的原子位置進(jìn)行短距離擴(kuò)散，從而使相同組分的顆粒在相同組分相域內(nèi)快速燒結(jié)長大，最終導(dǎo)致納米復(fù)相陶瓷的晶粒尺寸過大且相域均勻性變差。這種納米復(fù)合粉體團(tuán)聚程度直接影響燒結(jié)后納米復(fù)相陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，在MgO-ZrO2納米復(fù)相材料的制備中也被觀察到[10]。圖3(g)顯示的m/c對(duì)燒結(jié)后樣品平均晶粒尺寸的影響趨勢與m/c對(duì)納米復(fù)合粉體團(tuán)聚因子的影響趨勢相似。用m/c=0.75的粉體合成的Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷的相域分布均勻，且平均晶粒尺寸最小，僅為140 nm，這也可以說明降低初始納米復(fù)合粉體團(tuán)聚程度可以有效減小納米復(fù)相陶瓷的晶粒尺寸，提高兩相相域分布的均勻性。因此，優(yōu)化納米復(fù)合粉體的合成工藝對(duì)獲得具有良好光學(xué)及力學(xué)性能的納米復(fù)相陶瓷具有重要意義。

m/c影響了納米復(fù)合粉體的團(tuán)聚程度，從而影響了納米復(fù)相陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)，而其微觀結(jié)構(gòu)直接決定其光學(xué)性能[8]。圖4為6組樣品的紅外光譜。很明顯，6組樣品紅外透過率的高低與其微觀結(jié)構(gòu)有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著m/c從0.25增加到0.75，樣品的平均晶粒尺寸逐漸減小，相域均勻性得到改善，紅外透過率越來越高。當(dāng)m/c為0.75時(shí)，樣品的紅外透過率最高，在3～6 μm波長范圍內(nèi)紅外透過率超過80%，1.42 μm處透過率達(dá)到64.3%。當(dāng)m/c繼續(xù)增大至1.50，樣品的晶粒尺寸逐漸增大，相域均勻性變差，紅外透過率越來越低。這是因?yàn)閙/c為0.75的納米復(fù)合粉體有著最低的團(tuán)聚程度，燒結(jié)后的陶瓷樣品致密度高，晶粒尺寸小，且相域均勻性最佳。

圖3 不同摩爾比金屬離子和檸檬酸下Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷的SEM照片、晶粒尺寸和相對(duì)密度Fig.3 SEM images, average grain size and relative density of the Y2O3-MgO nano composites prepared at different molar ratios of metal ions to citric acid

圖4 不同金屬離子和檸檬酸摩爾比下制備的 陶瓷樣品的紅外透過率(厚度約1 mm)Fig.4 Infrared transmittance of nanocomposites prepared at different molar ratios of metal ions to citric acid (thickness≈1 mm)

微觀結(jié)構(gòu)不僅影響著納米復(fù)相陶瓷的光學(xué)性能，也影響其力學(xué)性能。圖5顯示了不同摩爾比金屬離子和檸檬酸制備的陶瓷樣品的力學(xué)性能。從圖5中可知，隨著m/c的不斷增大，樣品的硬度值及抗彎強(qiáng)度值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)m/c從0.25增大至0.75時(shí)，樣品的硬度值從(8.30±0.30) GPa增大至(10.90±0.20) GPa，抗彎強(qiáng)度從(189±11) MPa增大至(226±10) MPa;當(dāng)m/c增大至1.50時(shí)，樣品的硬度值下降至(9.20±0.40) GPa，抗彎強(qiáng)度降低至(198±11) MPa。陶瓷的硬度及抗彎強(qiáng)度值主要取決于樣品的相對(duì)密度及平均晶粒尺寸，從圖3(g)可知，所有樣品的相對(duì)密度均高于99.8%，所以晶粒尺寸是6組樣品硬度值差異較大的原因。結(jié)合圖3(g)中樣品的晶粒尺寸可知，晶粒尺寸越小，硬度值越高，抗彎強(qiáng)度越大。這是因?yàn)榫Ы缈梢宰璧K晶粒之間的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，樣品的晶粒尺寸越小，其晶界就越多，阻礙能力越強(qiáng)，所以硬度及抗彎強(qiáng)度值越高[19]。從圖5(a)中可以看出，樣品的斷裂韌性值介于(1.89±0.03) MPa·m-1/2到(2.21±0.01) MPa·m-1/2之間，當(dāng)m/c為0.75時(shí)，復(fù)相陶瓷的斷裂韌性達(dá)到最高,為(2.21±0.01) MPa·m-1/2。

圖5 不同摩爾比金屬離子和檸檬酸下制備的陶瓷樣品的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of ceramic samples prepared at different molar ratios of metal ions to citric acid

3 結(jié) 論

溶膠-凝膠法結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝是制備納米復(fù)相透明陶瓷的有效方法。本文重點(diǎn)研究了金屬離子和檸檬酸的摩爾比(m/c)對(duì)粉體團(tuán)聚程度的影響，進(jìn)而探究粉體團(tuán)聚程度對(duì)陶瓷樣品微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)及力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)不同m/c制備的前驅(qū)體熱分解行為影響納米復(fù)合粉體的團(tuán)聚程度，當(dāng)m/c=0.75時(shí)，Y2O3-MgO納米復(fù)合粉體的團(tuán)聚程度最小。

(2)粉體的團(tuán)聚程度影響納米復(fù)相陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)，用m/c=0.75的粉體合成的Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷的相域分布均勻且平均晶粒尺寸最小，僅為140 nm。

(3)優(yōu)化后的粉體經(jīng)熱壓燒結(jié)后得到較高性能的Y2O3-MgO納米復(fù)相陶瓷，當(dāng)m/c=0.75時(shí)3～6 μm波長范圍內(nèi)透過率達(dá)到 80%以上，維氏硬度及斷裂韌性分別為 (10.90±0.20) GPa及(2.21±0.01) MPa·m-1/2，抗彎強(qiáng)度為(226±10) MPa。