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【用戶成果】燒結過程“可視化”：MgF?摻雜透明氧化鋁陶瓷的致密化

上海硅酸鹽研究所王士維教授課題組團隊在《Journal?of?the?European?Ceramic?Society》上發表了論文

2026-03-06

DOI：10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117547

上海硅酸鹽研究所王士維教授課題組團隊在《Journal of the European Ceramic Society》上發表了題為“Coupled roles of MgF2 additive on sintering of sub-micron alumina transparent ceramics”的論文。本研究成功利用MgF?作為雙功能燒結助劑，制備出高性能透明氧化鋁陶瓷，并首次系統闡明了其中Mg2?(抑制晶粒生長)和F?(促進致密化)的協同作用機制，為優化透明陶瓷性能提供了創新性的添加劑設計策略。

Part 01

研究背景

透明陶瓷因其優異的力學、耐腐蝕和熱穩定性應用于裝甲窗口和激光增益介質等領域。其中多晶α-Al₂O₃陶瓷的機械強度高且具備可成型優勢，為實現高透光率需無孔隙、晶粒細小的微觀結構。傳統方法主要依賴陽離子摻雜抑制晶粒生長，但忽略了陰離子的影響。本研究首次將MgF₂作為雙功能添加劑在Al₂O₃陶瓷中的作用機制。

Part 02

實驗方法

1)自發凝固澆注法

2)燒結：空氣氣氛下，100℃/h升溫至1150℃-1325℃下燒結，并保溫2h。利用高溫變形可視分析儀對氧化鋁坯體的熱收縮率進行了優化。

Part 03

性能部分

MgF?摻雜量為500 ppm的Al?O?陶瓷綜合性能最優：

1.透光率最高：在640 nm波長處，直線透光率達61.6%（厚度歸一化為0.8 mm）。

2.晶粒最細（之一）：平均晶粒尺寸約 0.40 μm。

3.力學性能優異：維氏硬度 21.8 GPa，斷裂韌性 2.73 MPa·m1/2。

Part 04

研究結論

本研究工作在最佳摻雜量500ppm下，制備出的樣品性能優異。研究者系統研究并量化了致密化和晶粒生長行為，并與其他摻雜（尖晶石和AlF₃）進行對比。其中MgF₂具有雙重功能，其中陽離子是抑制晶粒生長機制的主導，陰離子有利于致密化。

中環電爐設備

可視化高溫形變分析儀，光學非接觸法測量材料燒結過程膨脹收縮。材料在變溫過程中形狀、尺寸及物態變化在線實時觀測，并通過智能化數據采集與圖像處理系統給出直觀、準確的數據及圖形報告，產品性能與國際同類產品相當，處于國內領先水平。可視化高溫形變分析儀用于材料研發與制造，有助于精確制定材料燒結工藝或熱處理工藝，提高產品質量，降低生產成本。

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◆ 實時動態測量燒結過程中收縮形變：非接觸測量和記錄樣品燒結過程中高度、寬度和面積隨溫度變化曲線

◆ 判斷各特征溫度：燒結點、軟化點、球化、半球化、熔點