不同掺杂浓度对al2o3_cr光电特性的影响毕业设计(编辑修改稿)

不同掺杂浓度对al2o3_cr光电特性的影响毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

开始转化很慢，但随着温 第 4 页 共 19 页 度升高，转化速率加快，到 1500176。 C 时转化近于完成，并有一定体积收缩。 为了强化此过程，可适量加入 H3BO NH4F、 AlF3 等。 αAl2O3 在其熔点下都是稳定的。 工业氧化铝中含有较多的 Na2O，为了降低原料中碱金属的含量，可加入1%～ 3%的 H3BO3，并在 1420～ 1450176。 C 煅烧，此时，碱金属离子与 H3BO3 反应并挥发掉。 通过煅烧可减少烧结时坯体的收缩，提高粉体的活性，还能除去 Al2O3原料中的 Na2O，提高原料纯度。 熔块合成 化工原料多是单成分的化合物，但在许多生产过程中需要多种成分的原料。 这种合成材料通常需要经过 800～ 1300176。 C 的高温煅烧，煅烧后的材料称为烧块。 合成过程大多是固相反应。 合成烧块的温度选择很重要。 温度过低，反应不充分，主晶相质量不好；温度过高，烧块变硬，不易粉碎，活性降低，使烧成温度升高和变窄。 根据试验，确定合适 的煅烧温度。 合成烧块时，必须控制有害的游离成分。 游离成分过多会给工艺操作造成困难并严重影响样品的性能。 粉料的制备 为了改善氧化铝陶瓷材料的性能、降低烧结温度、提高样品质量，粉料应尽量高纯、均匀、超细。 粉料的制备方法包括机械加工法（也称固相法），液相法和气相法。 由于操作简单易用，目前主要采用机械加工法。 下面简要介绍机械粉碎的原理和方法。 1) 球磨。 球磨是最常用的一种粉碎、混合方法。 将原料和磨球装在一个圆筒形容器球磨罐中。 球磨罐旋转时，带动球撞击和研磨原料，达到粉碎的目的。 一般来说，球磨机转速 越大，粉碎效率越高。 但当磨机转速超过临界转速时就会失去粉碎作用。 磨机的临界转速可用下式计算： DnDDnD 40,。 35,  时时 (31) 式中， n 为球磨机转速 (r/min)； D 为球磨罐的内径 (m)。 上式为经验公式，式中常数由试验确定。 影响粉碎和混合效率的因素有以下 7 个： ⑴ 球磨机的转速，转速应选择略低于临界转速； ⑵ 球磨机内磨球大小的配比、磨球形状、硬度、质量。 磨球的大小应配合适当，最大直 径在 D/18～ D/24 之间，最小直径为 D/40； ⑶ 球磨机装载量。 一般，装载原料量占球磨机容积的 70%～ 80%较好； ⑷ 球、料、水之比。 三者之比根据原料的吸水性，原料的颗粒大小和磨机装载量的不同而异。 通常的比例为球：料：水 =(1～ )： 1： (～ )； ⑸ 助磨剂的影响。 当原料研磨至一定细度后，继续研磨，效率将显著降低，这是因为已粉碎的细粉对大颗粒的粉碎起缓冲作用，较大颗粒难于进一步粉碎。 为了提高研磨效 率，使物料达到预期的细度，需加入助磨剂，常用的有油酸和 第 5 页 共 19 页 醇类。 本实验使用的是聚乙二醇 20xx。 ⑹ 分散介质的影响。 球磨分为干法和湿法两种。 干法不加分散介质，主要靠球的冲击力粉碎物料。 湿法需加水或乙醇等作为分散介质，主要靠球的研磨作用进行粉碎。 由于水或其他分散介质的劈裂作用，湿磨效率比干磨要高。 通常用水做分散介质，若原料中有水溶性物质，可采用乙醇等其他液体作为分散介质。 ⑺ 球磨时间的选择。 随着球磨时间的延长，球磨效率降低，细度的增加也十分缓慢。 长时 间球磨还会引入较多杂质。 因此，球磨时间应在满足适当细度的条件下尽量缩短。 例如，混料为 4～ 8h，细磨为 20～ 40h 等。 在球磨过程中不可避免地要引入杂质。 为了减少杂质污染，一般可采取的措施有：①球磨时间不可过长；②球磨罐要镶衬里（可用瓷瓦、橡皮或耐磨塑料等，小球磨可用尼龙罐、塑料罐等）；③球可用鹅卵石、燧石、玛瑙等，也可用人造的瓷球（如氧化铝瓷球，或与原料组成近似的瓷球）。 对于耐酸原料，若用钢球或钢制球磨罐，球磨后原料需要进行酸洗除铁。 细粉碎、混合均匀和防污染是功能陶瓷备料工序必须考虑和研究的重要问题。 2） 行星磨。 行星磨也叫微粒球磨机。 四只一样重的球磨罐置于同一旋转的圆盘上，使球磨罐“公转”，各个球磨罐又绕自身轴线“自转”，如图31。 当公转速率足够大时，离心力大大超过地心引力，自转角速度也相应提高，磨球不至于贴附罐壁不动，从而克服了旧式球磨机之临界转速的限制，大大提高了研磨效率。 粉碎细度优于球磨，粉碎时间一般 ～ 3h。 浆料压滤、困料 工业生产上一般采用压滤的方法除去湿法细磨浆料中的水。 在压滤机（又称榨泥机）上进行压滤。 压力越大，泥饼含水量越小。 压滤出来的泥饼通常是外硬内软，水分分布不均 匀。 因此，必须把这种泥饼放在不见日光、空气不流通的室内或密 闭容器内，保持一段时间，这种操作称 困料或陈腐。 困料室内温度应保持在 20176。 C 左右，相对湿度要求在 80%～ 90%。 坯料在困置过程中，在毛细管的作用下，水分分部渐趋均匀。 同时，坯料中有机物的腐烂作用可提高坯料的可塑性。 坯料困置时间越长，水分分布就越均匀，其成型性也就越好。 一般困料时间为 10～ 20 天。 干燥、加黏合剂和造粒 为了利于烧结和固相反应的进行，原料颗粒应越细越好。 但是，粉料越细，1 图 31 行星磨原理 2 第 6 页 共 19 页 流动性越不好；此外，比表面积增大，粉料占的体积也大，干压 成型时就不能均匀地填充模具的每个角落，容易造成空洞，边角不致密，层裂，弹性后效等问题。 使细粉料变粗的唯一办法就是造粒。 造粒工艺是将已经磨得很细的粉料，经干燥、加黏合剂，做成流动性好的较粗的颗粒（粒径约 ）。 造粒工艺大致分为加压造粒法和喷雾干燥造粒法。 加压造粒是将混合了黏合剂的粉料预压成块，然后再粉碎过筛。 该法造出的颗粒体积密度大，机械强度高。 加压造粒的工艺条件是：预压压力为，用破碎机捣碎，过 8 目粗筛，筛余后的物料返回破碎机继续破碎；再过 40 目筛，筛余物料仍应压碎，使全部物料通过 40 目筛后，再过一次 40 目筛，使物料颗粒度均匀。 喷雾干燥造粒法是把混合好黏合剂的粉料做成料浆，或是在细磨工艺时加好黏合剂，用喷雾器喷入造粒塔中雾化。 雾滴与塔中的热气混合，使雾滴干燥成干粉，由旋风分离器吸入料斗。 这种方法可得到流动性好的球状团粒，产量大，适合连续化生产和自动化成型工艺。 造粒的好坏与料浆的粘度、喷嘴压力和湿度等因素有关。 成型 大多数坯料很少含黏土甚至不含黏土，因此，坯料大多数是非可塑性的。 为了满足成型要求，坯料中一般要加黏合剂。 黏合剂的种类和加入量由成型方法、原料性质、制品的形状、大 小等因素决定。 黏合剂是具有黏结特性的有机化合物。 它的作用是增加坯料的可塑性和提高坯体的强度。 它应满足以下要求： 1) 要有足够的黏性，以保证良好的成型性和坯体的机械强度； 2) 经高温煅烧能全部挥发，坯体中不留或少留黏合剂残余杂质； 3) 工艺简单，没有腐蚀性，对瓷料性能无不良影响。 常用的成型方法有挤制成型、干压成型、热压铸成型、注浆成型、轧膜成型、等静压成型、热压成型和流延成型等。 下面简要介绍一下干压成型。 干压成型是广泛应用的一种成型方法。 该方法生产效率高，易于自动化，制品烧成收缩率小，不易形变。 但 该法只适用于简单瓷件的成型，如圆片形等，且对模具质量要求较高。 控制干压成型的坯料含水量很重要，一般在 4%～ 8%左右。 为了提高坯料成型时的流动性、增加颗粒间的结合力，提高坯体的机械强度，通常需要加入黏合剂，并进行造粒。 干压常用黏合剂有石蜡，酚醛清漆，聚乙烯醇水溶液，水、油酸、煤油混合物，亚硫酸纸浆废液，苯胶。 本实验用的黏合剂为浓度为 5%的聚乙烯醇水溶液 (PVA)。 干压成型应注意以下工艺问题： 第 7 页 共 19 页 1) 加压方式。 加压方式有单面加压和双面加压两种。 单面加压时，直接受压一端的压力大，密度大；远离加压一端的压力小，坯 体密度也小。 双面加压时，坯体两端直接受压，因此，两端密度大，中间密度小。 如果坯料经过造粒、加润滑剂，再进行双面加压，则坯体密度非常均匀。 2) 成型压力。 成型压力的大小直接影响瓷坯的密度和收缩率。 成型压力小，瓷体收缩大。 压力过大，坯体容易出现裂纹、分层和脱模困难等现象。 成型压力一般在 ～ 之间。 3) 加压速度和时间。 干压成型时，压模下降的速度缓慢一些为好。 加压速度过快会导致坯体分层，表面致密中间松散，甚至在坯体中存在许多气泡。 因此，加压速度宜缓，而且要有一定的保压时间。 排胶 Al2O3 陶瓷成型时多采用有机黏合剂，在煅烧时，有机黏合剂从固态转变为液态或气态，从坯体中排出。 有机黏合剂在坯体中大量熔化、分解、挥发，会导致坯体变形、开裂，因此，需要先将坯体中的黏合剂排除干净，然后再进行样品的烧结，以保证产品的形状、尺寸和质量要求。 排除黏合剂的工艺称为排胶。 其作用有 3 个： 1) 排除坯体中的黏合剂，为下一步烧结创造条件； 2) 使坯体获得一定的机械强度； 3) 避免黏合剂在烧结时的还原作用。 干压坯件的排胶工艺。 非塑性物料的膜片成型都含有大量黏合剂，烧结前应整形、排胶。 整形在烘箱中 进行。 将冲成的坯片，以 8～ 10 片一叠，叠放整齐，压在光滑平整的钢板或玻璃之间，也可在专门设计的整形夹具中夹紧，放在烘箱中，以 4176。 C/min 的速度升温，至 250176。 C 保温 4h。 整形的作用是使坯片排除一定的水分和黏合剂，获得平整的外形和初步的定形。 整形后的坯片仍具有相当好的机械强度，故仍能方便地装钵、排胶。 坯片的大小、厚薄不同，排胶升温曲线不相同。 黏合剂不同，其挥发速率不同，排胶曲线也不同。 以下排胶曲线供参考： 0～ 100176。 C 自由升温， 100176。 C 时保温 1h； 100～ 350176。 C，升温速率100176。 C/h； 350～ 400176。 C，升温速率 40176。 C/h， 400176。 C 时保温 3h。 坯片经过 400176。 C烘烤，强度很低，不可移动，应继续升温，直至 900176。 C，其中 500～ 900176。 C，升温速率为 100176。 C/h。 排胶时应注意加强通风，使有机挥发组分及 CO 等及时排出，保持炉内为氧化气氛，这对许多易还原的功能陶瓷材料来说十分重要。 烧结 烧结是使成型的坯体在高温作用下致密化，完成预期的物理化学反应，达到所要求的物理化学性能的全过程。 该过程通常分三个阶段：从室温至最高烧 第 8 页 共 19 页 结温度时的升温阶段；在高温下的保温阶段；从最高温度降至室温的冷却阶段。 升温阶段 这一阶段主要是水分和有机黏合剂的挥发，结晶水和结构水的排除，碳酸盐的分解，有时还有晶相转变等过程。 除晶相转变过程外，其他过程都伴有大量的气体排出。 这时升温不能太快，否则会造成结构疏松，变形和开裂。 通常吸附水在 200176。 C 以前逐步挥发掉，有机黏合剂在 200～ 350176。 C 挥发完，结晶水和结构水的排除以及碳酸盐的分解，视具体材料而异。 保温阶段 保温阶段是陶瓷烧结的主要阶段，在这一阶段各组分进行充分的物理变化和化学反应，以获得要求的致密、结构和性能的陶瓷体。 因此，必须严格控制烧结制 度，尤其是严格控制最高烧结温度和保温时间。 任何瓷料都有一最佳的烧结温度范围，实际烧结温度应保证在此范围内。 各种瓷料的烧结温度范围不同，一般黏土类陶瓷的烧结温度范围比较宽，约为 40～ 100176。 C，大多数功能陶瓷只有 10～ 20176。 C 左右，个别的只有 5～ 10176。 C。 在这个范围内烧结，坯体致密性好，不吸水，晶粒细密，机械和电性能好。 超出这个范围，瓷体气孔率都增大，机械性能和电性能降低。 冷却阶段 从烧成温度冷却至常温的过程称为冷却阶段。 在冷却过程中伴随有液相凝固、析晶、相变等物理和化学变化发生。 因此，冷却方 式、冷却速度快慢对瓷体最终的相组成、结构和性能均有很大的影响。 冷却阶段有淬火急冷、随炉快冷、随炉慢冷或缓冷和分段保温冷却等多种方式。 慢冷等相当于延长不同温度下的保温时间，因此，晶体生长能力强、玻璃相有强烈析晶倾向的瓷料，晶粒可能生长成为大的晶体，玻璃相会析晶，往往使瓷体结构和致密性差，对于这种瓷料，应快速冷却。 快冷应注意避免瓷体开裂和炸裂。 析晶倾向非常强的瓷料，或希望保持高温相的瓷料，可采用快冷或淬火快冷的方法。 4 样品的制备 本实验通过向 Al2O3 粉末中分别掺杂不同浓度的 Cr 粉，经过烧结等工。