新型Sc2O3-Y2O3 纳米透明陶瓷的强韧化及光传输机制

With the rapid development of superspeed and high Mach air vehicles, there is an urgent demand for infrared window and dome materials with even higher mechanical and optical properties. In the present project, a novel Sc2O3-Y2O3 infrared ceramic is proposed, and the relative scientific problems, such as the control of particle size, shape, dispersion and homogeneity of the Sc2O3-Y2O3 nanopowder, the evolution and control of nanocrystalline grain size during sintering, the elimination of defects, the strengthening and toughening mechanisms, and the mechanism of coordinative improvement of mechanical and optical properties, will be investigated. The systematic study and profound understanding of these scientific problems will provide theoretical basis for the fabrication, microstructural control and improvement of performance of the transparent ceramics. A high strength Sc2O3-Y2O3 ceramic with optical transmittance that covers both visible and infrared light regions will be developed, solving the problems such as opaque in visible light region and tendency to be eroded by rain for the mostly investigated MgO-Y2O3 infrared nanocomposites, and providing an ideal candidate for window and dome materials used for superspeed and high Mach air vehicles.

红外制导超高速和高马赫数飞行器的快速发展，对3-5 μm中波红外波段窗口和球罩材料的光学性能和力学性能提出了越来越高的要求。本项目提出了一种新型Sc2O3-Y2O3红外陶瓷，并开展Sc2O3-Y2O3粉体尺寸、形貌、分散性和均匀性控制，烧结过程中纳米晶尺寸演变及控制机理，纳米结构透明陶瓷中缺陷消除机制，纳米透明陶瓷的强韧化机理，力学与光学性能协同提高机制等科学问题的研究。通过对上述科学问题的系统、深入研究及深刻理解，奠定该新型红外光学材料的制备、微结构控制及高性能化方面的理论基础。在此基础上，研制出可覆盖可见-中红外“双色”区间、高强度的新型高性能Sc2O3-Y2O3纳米红外陶瓷，克服目前国内外研究最多的MgO-Y2O3纳米透明陶瓷在可见光不透明以及耐雨水侵蚀性不好的问题，为红外制导超高速飞行器和高马赫数飞行器用红外波段窗口和球罩提供一种理想的候选材料。

Y2O3透明陶瓷具有熔点高、热稳定性好、光学透过范围宽等特性，尤其是在红外光谱区具有高透过率以及高温下发射系数低，满足新型高速飞行器红外窗口和整流罩的基本需求。但是，Y2O3陶瓷本身硬度与力学性能较低，限制了其高速飞行器方面的应用。 .本项目分别采用固溶强化结合细晶强化和双组分复相强化的方法，提升Y2O3陶瓷的综合性能。首先，研究了Y2O3-Sc2O3固溶体陶瓷，从粉体合成和处理，陶瓷的放电等离子烧结（SPS）研究等几个方面，深入系统研究粉体-陶瓷-组织结构-性能之间的构效关系，实现了Y2O3-Sc2O3固溶体陶瓷与Y2O3基多组分固溶体陶瓷强韧性能的显著提升。其次，以Y2O3-MgO复相纳米陶瓷为基础，深入研究调控微观组织结构与中红外透光性的联系，研制出性能优良的Y2O3-MgO复相纳米陶瓷。另外，研究了新型的Gd2O3-MgO纳米复合红外透明陶瓷的粉体合成、烧结机理以及制备工艺优化，得到了性能优异的Gd2O3-MgO复相纳米陶瓷。.采用溶胶-凝胶燃烧法制备出成分均匀的Y2O3基固溶体粉末，通过控制了燃料剂（蔗糖）与氧化剂（硝酸盐）的比例有效调节了合成粉体的关键特性。放电等离子烧结研究表明，Y2O3-Sc2O3固溶体粉体在1300℃-1350℃烧结30min-60min，能够得到高致密的Y2O3-Sc2O3陶瓷。由于离子半径不同，形成的Y2O3基固溶体陶瓷的晶格产生畸变、进而引起晶格应力，促进了烧结过程中物质传输与扩散，降低了晶粒尺寸，提升了组织均匀性，从而提升了该固溶体陶瓷性能。对于Y2O3-MgO复相纳米结构陶瓷，金属离子和柠檬酸最佳摩尔比为0.75时，合成的粉体晶粒尺寸细小（9.2nm），比表面积较高（70m2/g），碳含量少（1.25%）。在1350℃热压烧结后，Y2O3-MgO复相陶瓷平均晶粒尺寸为147nm，在波长1.42 μm处透过率高达64.3%，在2-6 μm的中红外波段处透过率达到80%以上，接近理论透过率。采用热压烧结工艺制备了新型Gd2O3-MgO纳米复合红外透明陶瓷，其晶粒尺寸为85 nm，3-5 μm透过率达到84.8%，维氏硬度为14.1 GPa。本研究为高性能中红外透光陶瓷的研究奠定了理论和技术基础。