基于抑制纳米粉体低温相变的ZnS透明陶瓷制备

doi:10.11901/1005.3093.2024.521

材料研究学报 DOI: 10.11901/1005.3093.2024.521

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基于抑制纳米粉体低温相变的ZnS透明陶瓷制备

李泓霄,李焕勇,张炫

西北工业大学

Preparation of ZnS transparent ceramics by inhibiting low-temperature phase transition of nanopowders

引用本文:

李泓霄李焕勇张炫. 基于抑制纳米粉体低温相变的ZnS透明陶瓷制备[J]. 材料研究学报, 10.11901/1005.3093.2024.521.

全文: PDF(7936 KB)

摘要: 立方β-ZnS透明多晶陶瓷，在红外光学、红外探测和红外信息窗口等技术领域有广泛应用，但其热压制备过程易生成六方α-ZnS相非透明相，严重制约了硫化锌透明多晶陶瓷的发展。本文通过化学均相沉淀法合成纳米β-ZnS粉体，以碱金属卤化物KX (X=Br、I、Cl)为添加剂，在830℃、30MPa条件下热压制备了不含六方相的β-ZnS透明陶瓷。研究发现，KBr、KI作为烧结助剂一方面形成液相促进了晶粒的快速长大，另一方面有效抑制了β-ZnS纳米粉体的尺寸诱导低温相变，避免了六方α-ZnS相的形成；KCl促进了α-ZnS形成，对透明陶瓷产生不利影响。通过对所制样品的相成分、微观形貌、成分分布和光致发光分析，并结合Br-、I- 和Cl-的离子半径提出KX对β-ZnS纳米粉体的低温相变的抑制机理。

关键词 ：无机非金属材料, ZnS透明陶瓷, 热压烧结, 低温相变, 烧结助剂

Abstract：Cubic β-ZnS transparent polycrystalline ceramic has an extensive applications in infrared optics, infrared detection and infrared information windows. The hot-pressing process is generally prone to produce hexagonal α-ZnS as an impurity phase, severely restricting the development of ZnS transparent ceramics. In the present study, ZnS transparent ceramics with free wurtzite phase were successfully prepared through hot-pressing sintering at 830℃ and 30 MPa, using as-synthesized β-ZnS nanopowders and KX (X = Br, I, Cl) as raw material. It was found that halides KX, as the additives, play the crucial role in sintering ZnS transparent ceramics. Both halides KBr and KI not only promote the rapid growth of grain by generating a molten state, but also effectively inhibit the size-induced low-temperature phase transition of β-ZnS nanopowders from cubic phase to hexagonal one. However, KCl promotes the formation of α-ZnS with an adverse impact on ZnS transparent ceramics. A mechanism of alkali metal halides KX inhibiting the size-induced low-temperature phase transition of ZnS nanoparticles was rationally proposed by combining X-ray diffraction results, microstructure, composition distribution and photoluminescence spectra of ZnS ceramics with the ionic radii of Br-, I-, and Cl-.

Key words： inorganic non-metallic materials, ZnS transparent ceramics, hot-press sintering, low-temperature phase transition, sintering additive

收稿日期: 2024-12-31

ZTFLH:

TB321

基金资助:国家自然科学基金;陕西省自然科学基础研究计划

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