Y2O3-MgO纳米复合透明陶瓷窗口材料的制备

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目前红外制导所用的红外窗口材料多为MgF2、ZnS等陶瓷材料及蓝宝石单晶等,这些材料作为飞行器光学窗口,由于其机械强度及热性能较差,在高速飞行中易因气动力及热应力的影响造成窗口破碎或因气动热导致窗口具有较高的背景辐射而影响探测精度,难以满足未来高马赫数飞行器对红外探测窗口材料的要求。而Y2O3-MgO纳米复合陶瓷因具有优秀的红外透过性、高温力学性能、抗热震性和极低的高温热发射率而成为未来高速飞行器红外探测窗口的最佳候选材料。本文通过溶胶-凝胶法制备了 Y2O3-MgO纳米复合粉体,研究了干凝胶最佳煅烧工艺:前驱体干凝胶在500℃保温10 h,再经球磨、干燥、过筛处理后即可获得晶粒尺寸约9nm、比表面积为110m2/g、分散性良好的多孔泡沫状高活性纳米复合粉体。此外,实验结果表明在溶胶-凝胶反应阶段添加硝酸铵溶液可以优化粉体内相区分布,继而优化热压烧结样品中的相区分布和相区尺寸。将原始粉体在200 MPa等静压处理后,再经研磨及过筛处理,可以得到流动性良好的粉体颗粒。所得到的粉体可以直接进行热压烧结,在1375℃保温30分钟烧结条件下制备出接近完全致密的、晶粒尺寸约为200 nm、尺寸为Φ30 mm×5 mm的纳米复合透明陶瓷,厚度为2.5 mm的样品在中红外波段的透过率可达80%以上。等静压处理粉体制备的陶瓷的红外透过率和平均粒径与模压成型坯体制备的陶瓷无显著差别。作为对比,原始粉体不经成型直接烧结难以在同等烧结条件下达到完全致密。通过油浴反应釜大批量制备了晶粒尺寸细小、相区分布均匀、烧结活性好的Y2O3-MgO纳米复合粉体。将原始粉体在球罩形不锈钢磨具中经80 MPa模压成型制成坯体,然后将坯体置于球罩形石墨模具中,在1375℃、45 MPa保温保压30 min的热压条件下制备出了整体相对密度达98.9%、尺寸为Φ72 mm×5 mm的球罩形纳米复合透明陶瓷样品,样品中心部位达到了完全致密,晶粒尺寸约为160 nm,透过率可达80%以上(厚度3 mm),但样品各部位的均匀性仍有待改善。
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