https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221182

大连海事大学单英春教授团队在期刊《Journal of Advanced Ceramics》上发表了题为“A novel two-step sintering strategy for highly transparent AlON ceramics by combination of ultra-fast high-temperature sintering followed by conventional sintering”的论文。研究中通过超快速高温烧结和常规烧结方法相结合，两步法成功制备出了在350-4900nm宽波长范围内透射率≥80%的高透明AlON陶瓷。

研究背景

1.新材料发展需求：氮化铝氧（AlON）陶瓷作为先进透明陶瓷材料，兼具优异光学透明性、高强度硬度及热稳定性，是下一代透明装甲和极端环境红外窗口的理想候选材料。

2.传统烧结局限性：传统无压烧结（常规烧结，CS）制备高透明AlON陶瓷存在两大关键问题：一是需7-30小时的长保温时间，能耗高、成本高，易引发晶粒过度生长，影响力学性能；二是掺杂Y₂O₃等烧结助剂时，难以平衡“抑制晶粒生长”与“实现高致密化”的矛盾。现有缩短保温时间的尝试（如优化粉体、复合助剂）仍存在晶粒偏大、工艺复杂等局限，亟需开发新型高效烧结策略。

研究方法与实验设计

1. 核心烧结策略

提出“超快速高温烧结(UHS)+常规烧结(CS)”两步法：先6000℃/min的超快升温速率加热至1850℃保温2分钟（UHS阶段），再以50℃/min升温至1880℃保温120分钟（CS阶段）。

2. 对照组设计

设置纯UHS组（1850℃保温2分钟）和纯CS组（1880℃保温120分钟），对比三组样品的相对密度、孔隙特征、晶粒尺寸、透光率及硬度等性能。

3. 原料与表征

原料：采用碳热还原氮化法自制单相AlON粉体，掺杂0.15wt%纳米Y₂O₃（平均粒径30.44nm）作为烧结助剂；

表征手段：X射线衍射（XRD）、激光粒度分析、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱、金相显微镜、阿基米德法、分光光度计/红外光谱仪（透光率测试）、维氏硬度计。

核心研究结果

1.光学性能

两步法样品在350-4900nm宽波长范围内透光率≥80%，400nm处透光率80.71%，3750nm处达最大值84.73%，显著优于纯CS组（400nm处仅58.82%）（图4）；

2.微观结构特征

相对密度：UHS阶段后达97.43%，经CS后提升至99.71%，高于纯CS组的99.30%（图6、表1）；

孔隙特征：两步法样品孔隙尺寸仅0.11-0.37μm，且数量少、分布均匀，而纯CS组孔隙尺寸为0.45-2.40μm（图6、表1）；

晶粒尺寸：两步法样品平均晶粒尺寸47.06μm，远小于文献报道的100-200μm，且粒度分布更均匀（图7、图9）。

3.力学性能

维氏硬度高达19.57±0.23GPa，高于纯CS组（16.69±0.43GPa）及文献报道的同类无压烧结AlON陶瓷（图10、表11）。

4.两步法致密化机制

UHS的关键作用：超快升温速率抑制AlON低温分解（图11）和微观结构粗化（图12），形成高致密度、细晶粒（多数≤8μm）及非平衡晶界的预烧体，非平衡晶界降低晶界扩散激活能，为后续快速致密化奠定基础；

CS的补充作用：短时间保温即可消除UHS预烧体中的残留孔隙，实现完全致密化，同时避免晶粒过度生长。

研究意义及价值

1.技术突破：解决了传统烧结“长时保温-晶粒粗化-性能下降”的恶性循环，将高透明AlON陶瓷的总烧结时间从传统的2.5-30小时缩短至122分钟，大幅降低能耗与成本；

2.性能优势：制备的AlON陶瓷兼具宽波段高透光性和高硬度，且工艺适用于大规模、复杂形状构件制备，具备实际应用潜力；

3.科学价值：阐明了UHS诱导非平衡晶界调控致密化与晶粒生长的协同机制，为透明陶瓷的高效制备提供了新范式。

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