激光快速凝固法制備功能陶瓷材料研究.pdf

1、功能陶瓷材料學(xué)是現(xiàn)代材料科學(xué)與工程中極具活力和應(yīng)用潛力的分支之一，其研究主要集中在功能陶瓷的組成、結(jié)構(gòu)、性能和制備四個(gè)方面。功能陶瓷的制備技術(shù)對所制材料的結(jié)構(gòu)和性能極具影響，因而在功能陶瓷材料研究中占據(jù)重要地位。在眾多制備方法中，激光燒結(jié)技術(shù)是一種新穎的制備技術(shù)，具有燒結(jié)時(shí)間短、效率高、可有效降低樣品污染等優(yōu)點(diǎn)。激光快速凝固(Laserrapidsolidification，LRS)技術(shù)是激光燒結(jié)技術(shù)的一種，近幾年已初步應(yīng)用于制備性能優(yōu)

2、良的功能陶瓷，但該技術(shù)目前仍處于探索階段。
　　BaTi2O5(BT2)是一種介穩(wěn)相，其鐵電性能僅僅表現(xiàn)在其b軸方向，且常規(guī)技術(shù)手段難以制得同時(shí)具備高純度和b軸擇優(yōu)取向的BT2塊體材料;BaTi4O9(BT4)是一種微波介質(zhì)陶瓷，常規(guī)方法難以制得具有高介電常數(shù)的BT4;SrBi2Nb2O9(SBN)具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，其物理性能具有明顯的各向異性，常規(guī)方法制備的織構(gòu)SBN不具備b軸擇優(yōu)取向。鑒于上述原因，結(jié)合激光快速凝固技術(shù)的特點(diǎn)

3、，本文選取BT2、BT4和SBN為研究對象，采用激光快速凝固技術(shù)制備三種功能陶瓷，對這三種功能陶瓷材料的制備工藝、組成、結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，并對激光快速凝固技術(shù)的機(jī)理特點(diǎn)進(jìn)行分析，為推廣該技術(shù)應(yīng)用于功能陶瓷生產(chǎn)中積累實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和奠定一定的理論基礎(chǔ)。
　　論文采用LRS技術(shù)，成功制得高純的BT2、BT4和SBN織構(gòu)陶瓷，并對制得的目標(biāo)材料進(jìn)行介電性能研究。主要研究成果如下:制得的BT2鐵電陶瓷具有b軸擇優(yōu)取向，擁有較高的致密度(9

4、7.5％)，較高的擇優(yōu)取向度(0.42)，具有較高的居里相變溫度(443℃)，在100kHz下，其最大介電常數(shù)（εmax）為6000，居里-外斯溫度(T0)為410℃，居里-外斯常數(shù)(C)為2.08×105K;制得的BT4微波介質(zhì)陶瓷具有c軸擇優(yōu)取向，同樣擁有較高的致密度(99.6％)，較高的擇優(yōu)取向度(0.46)，在1MHz下，c軸方向上的介電常數(shù)(ε)為85，介電損耗(tanδ)為0.083，介電常數(shù)溫度系數(shù)(τε)為1.96×10

5、-4/℃，相比于傳統(tǒng)固相反應(yīng)燒結(jié)法制得的BT4，ε值提高約120％;制得的SBN鐵電陶瓷具有b軸擇優(yōu)取向，亦具有較高的致密度(99.6％)，較高的擇優(yōu)取向度(0.78)，其相變溫度Tm為317.4℃，相變具有一定的彌散性，彌散因子（γ）為1.31。
　　通過采用LRS技術(shù)對三種目標(biāo)材料的制備，發(fā)現(xiàn)三者均具備織構(gòu)化的結(jié)構(gòu)，其織構(gòu)方向均沿各自結(jié)點(diǎn)密度最小網(wǎng)面的法線方向生長;三者均具有層片狀的微觀結(jié)構(gòu)，該層片垂直于樣品表面以及平行于激光

6、束入射方向。目標(biāo)材料產(chǎn)生沿該方向產(chǎn)生織構(gòu)的根本原因由其內(nèi)秉特性決定，根據(jù)布拉維法則，晶體在生長時(shí)，其晶粒優(yōu)先沿結(jié)點(diǎn)密度最小網(wǎng)面的法線方向生長，這是BT2、BT4和SBN分別在b、c和b軸方向上產(chǎn)生擇優(yōu)取向的根本原因。宏觀上，晶體生長的方向即熔體的凝固方向，沿著逆溫度梯度方向，即由樣品表面指向樣品內(nèi)部，垂直于樣品表面。當(dāng)凝固完成時(shí)，晶體的生長亦隨之結(jié)束，最終形成具有層片狀微觀結(jié)構(gòu)的多晶的織構(gòu)化塊體陶瓷材料。研究過程中亦發(fā)現(xiàn)，通過控制樣品凝

7、固過程中其內(nèi)部的溫度梯度方向，可以適當(dāng)?shù)靥岣邩悠返膿駜?yōu)取向度。
　　研究同時(shí)亦發(fā)現(xiàn)，LRS技術(shù)是一種高效的合成高純度陶瓷材料的方法，在大功率激光的輻照作用下，樣品素坯在較短的時(shí)間內(nèi)升溫至熔融狀態(tài)，熔體內(nèi)部存在著巨大的溫度梯度、強(qiáng)烈的熱量傳遞和物質(zhì)傳導(dǎo)，這促使各組分之間充分反應(yīng)進(jìn)而制得高純度的目標(biāo)材料;在含揮發(fā)性元素或原料的陶瓷材料的LRS技術(shù)制備方面，可以在配料階段適當(dāng)增加含揮發(fā)性元素原料的配比，再通過正交實(shí)驗(yàn)覓得合適的激光燒結(jié)工