纳米AxMg1-xAl2-yByO4颜料的结构调变与光谱调控--应用于5G智能设备用彩色氧化锆陶瓷

Based on the comprehensive requirements of the color, mechanical, and dielectric properties of Zirconia ceramics for the 5G smartphone and wearable equipment, the study is focused on the preparation of the AxMg1-xAl2-yByO4 nano-spinel pigments using the modified gel-casting method. The influencing effect of the factors, such as the single element doping, two-element doping, multi-element doping in the sites of A and B, doping ratio and non-stoichiometric ratio on the phase and structure of the material is studied, and the influencing pattern of the preparation process parameters and sintering temperature on phase formation, grain morphology and grain size is also investigated. This study reveals the essential relationship between the spectroscopic properties of AxMg1-xAl2-yByO4 and their crystal and electronic structure, and discusses the regulation mechanism of spectral characteristics of the materials. Based on the study discussed above, the microstructure and the color Zirconia ceramics, of which the artistic appearance are controllable, are therefore designed and prepared. This project will establish a link of composition-structure-synthesis process-optical properties out of the multi-element doped spinel nano-pigments, and provide the scientific and technological basis for developing the colored zirconia ceramic components for the intelligent electronic device.

基于5G智能手机及可穿戴设备用氧化锆陶瓷颜色和力学、介电性能的综合要求，本项目拟采用改良的Gel-casting方法制备AxMg1-xAl2-yByO4纳米尖晶石颜料体系。重点研究A、B位一元掺杂、二元掺杂、多元掺杂、掺杂比例及非化学计量比等因素对合成材料物相、结构的影响机理，以及制备过程参数和烧成制度对物相形成、晶粒形貌、晶粒尺寸的影响规律；揭示AxMg1-xAl2-yByO4材料光谱学特性与其晶体结构、电子结构之间的本质关联，探讨材料光谱特性的调控机制。在此基础上，设计并制备显微结构及艺术外观可调控的彩色氧化锆陶瓷。本项目的实施，将建立多元掺杂纳米尖晶石颜料组成-结构-合成工艺-宏观光学特性的关系，为智能电子设备用彩色氧化锆陶瓷部件新品研发提供科学和工艺依据。

本项目面向智能设备用氧化锆陶瓷呈色调控中的关键科学问题，研究AxMg1-xAl2-yByO4尖晶石结构微变与光学吸收的关联。.采用凝胶浇注法制备了纳米-亚微米天青色NixMg1-xAl2O4 (0.3≤x≤0.7)、粉红色Mg1-xZnxAl1.8Cr0.2O4、Er2O3-Al2O3体系中的ErAlO3, Er3Al5O12颜料、蓝绿色MgxCo1-xCrAlO4（0≤x≤1）及MgCoCr2-yAlyO4（0≤y≤2）尖晶石粉末，研究了阳离子占位比例、尖晶石结构参数与成份、煅烧温度的关系。结果表明：对于NixMg1-xAl2O4(0.3≤x≤0.7)尖晶石色料，通过控制烧成温度和Ni的掺杂量，随着温度的升高或Ni掺杂量的提升，尖晶石中的阳离子交换会影响其晶体结构内A-O和B-O的键长，导致晶体场在四面体中的增强和八面体中的削弱，宏观上表现为在可见光范围内的吸收峰的红移和强度升高，从而引起蓝绿色调的加深。对于MgxCo1-xCrAlO4（0≤x≤1）及MgCoCr2-yAlyO4（0≤y≤2）尖晶石粉末，随煅烧温度升高，结构中的阳离子无序分布，都能占据四面体和八面体位点；A/B位点的离子替代导致了四面体和八面体位点的阳离子分布比例的改变，尖晶石结构也发生了不同程度的微变。随着Mg2+掺杂浓度的增加，尖晶石的反转参数增加；而随着Al3+掺杂浓度的增加，尖晶石的反转参数下降。煅烧气氛的不同导致了结构中氧空位含量的差异，在还原性气氛下，氧空位含量明显增加，结构的反转参数也增加。.不同的煅烧温度及离子掺杂浓度，会改变尖晶石内部的离子占位比例、晶格常数、u参数等，导致尖晶石内部四面体发生体积变化和八面体结构扭曲，进而引发其晶体场强度发生改变，致使发色离子发生电子跃迁吸收的能量不同（吸收光的波长不同），颜料的呈色因此而发生改变。可见光吸收的强度受四面体位点着色离子的影响较大。阳离子调控改变晶体场强度的策略可以有效拓展颜料的色系，这为尖晶石颜料的呈色调控提供了有益的启示。.分别采用NixMg1-xAl2O4系列、MgxCo1-xCr2-yAlyO4、MgAl1.8Cr0.2O4、ZnAl1.8Cr0.2O4、的尖晶石颜料为着色剂，成功制备出了天青色、蓝绿色、粉红色的尖晶石-氧化锆陶瓷。尖晶石经过高温烧结后依然能够较均匀地分布在氧化锆中稳定呈色