Produção de Cerâmica ZnAl2O4 Transparente: Nova Abordagem e Aplicações

Uma nova abordagem para a produção de cerâmica ZnAl2O4 transparente abstrato artigoinfo 11 O fluoreto de lítio não pode ser aplicado ao ZnAl2O4 devido às seguintes reações O aluminato de zinco policristalino ZnAl2O4 é um material óptico com estrutura cúbica grupo espacial Fd3m e possui características ópticas e mecânicas comparáveis ao espinélio alumíniomagnésio MgAl2O4 1 ZnAl2O4 tem maior valor de condutividade térmica de 25Wm K 2 em comparação com MgAl2O4 15Wm ÿ 1 2 3 Nesta conexão os materiais à base de ZnAl2O4 dopados com íons luminescentes podem ser a alternativa ao MgAl2O4 em engenharia de laser 46 e fotônica Até o momento foram publicados 3 artigos descrevendo a técnica de preparação de cerâmicas transparentes de ZnAl2O4 79 Nesses trabalhos o processo de consolidação do pó foi realizado em 2 a 3 etapas usando altas pressões 80 a 250 ÿPÿ Para simplificar a produção de cerâmica densa reduzindo a pressão e a temperatura da prensagem a quente são utilizados aditivos de sinterização Para a produção de cerâmica transparente ZnAl2O4 pode ser usado óxido de silício conforme descrito na ref 9 O óxido de silício pode ser uma fonte de perdas ópticas na transmissão óptica pois não é removido durante a evaporação a vácuo Dados sobre aditivos de sinterização para o ZnAl2O4 evaporando no vácuo não são encontrados Tais aditivos de sinterização são usados para obter cerâmica transparente de MgAl2O4 por exemplo fluoreto de lítio 10 2 Material e métodos Listas de conteúdos disponíveis em wwwsciencedirectcom LiF é usado para sinterização de outras cerâmicas de óxido por exemplo MgO O pó de aluminato de zinco foi preparado pelo método solgel Solução de nitrato de zinco 9999 de pureza 05 moll e sol de boemita 012 moll como agente gelificante foram misturados em uma proporção molar de 12 O sol de Boemita foi obtido de acordo com o procedimento descrito na Ref 13 A razão estequiométrica de cátions metálicos no sol onde o ZnF2 formado será removido junto com o LiF distorcendo a estequiometria dos cátions Zn e Al O LiAlO2 formado durante a reação será o centro de intensa dispersão de luz Para ativar a sinterização do ZnAl2O4 é atrativo utilizar o ZnF2 com temperatura de fusão de 872 ÿC 12 Tanto o ZnF2 quanto o LiF podem interagir com o aluminato de zinco sem alterar a estequiometria dos cátions Al e Zn O objetivo deste estudo foi investigar a possibilidade de fabricação da cerâmica transparente de ZnAl2O4 por prensagem a quente de pós dopados com ZnF2 sintetizados pelo método solgel A microestrutura e as propriedades ópticas das cerâmicas obtidas foram estudadas j ou página inicial do rnal wwwelseviercomlocatejeurceramsoc A fase líquida do ZnF2 pode servir como lubrificante e agente intermediário da sinterização assistida por líquido T 872 ÿC facilitando a contração da amostra A alta pressão de vapor do ZnF2 na faixa de temperatura de 8001200 ÿC 12 possibilita a remoção eficiente do aditivo de sinterização Nesse sentido o uso do ZnF2 como aditivo de sinterização para a obtenção de cerâmicas ZnAl2O4 transparentes é promissor ZnAl2O4s 2LiFl ÿ ZnF2l 2LiAlO2s 1 Introdução Uma nova abordagem para a produção de cerâmica ZnAl2O4 a granel transparente baseada na prensagem a quente de pós 1600 ÿC 50ÿPÿ na presença de aditivo de sinterização ZnF2 é descrita Usando esta abordagem na presença de 5 em peso de ZnF2 a cerâmica ZnAl2O4 transparente foi preparada com faixa de transparência de 02 a 75 m e com gap de cerca de 605 eV O tamanho médio de grão foi de cerca de 33 m e a transmitância no comprimento de onda de 550 nm foi de cerca de 63 2017 Elsevier Ltd Todos os direitos reservados AV Belyaevaÿ II Evdokimova VV Drobotenkoa AA Sorokinb Jornal da Sociedade Europeia de Cerâmica ZnF2l ÿ ZnF2g comunicação curta Endereço de email belyaevihpsnnovru POR Belyaev Disponível online em 28 de fevereiro de 2017 Palavraschave a GG Devyatykh Instituto de Química de Substâncias de Alta Pureza da Academia Russa de Ciências 49 Troponin St 603950 Nizhny Novgorod Rússia b Instituto de Física Aplicada da Academia Russa de Ciências 46 Ulyanov St 603950 Níjni Novgorod Rússia ZnAl2O4 Jornal da European Ceramic Society 37 2017 27472751 Cerâmica Historia do artigo ZnF2 Recebido em 16 de janeiro de 2017 Aditivo de sinterização Recebido em forma revisada em 15 de fevereiro de 2017 ÿ Autor correspondente httpdxdoiorg101016jjeurceramsoc201702041 09552219 2017 Elsevier Ltd Todos os direitos reservados Aceito em 21 de fevereiro de 2017 Machine Translated by Google Fig 1 Padrão de DRX do pó de ZnAl2O4 calcinado a 750 ÿC 3 h 2748 AV Belyaev et al Journal of the European Ceramic Society 37 2017 27472751 Fig 2 Micrografia SEM das partículas de pó de ZnAl2O4 A Fig 1 mostra o padrão XRD em pó de ZnAl2O4 sem ZnF2 utilizado no trabalho A posição dos picos corresponde ao difratograma ZnAl2O4 teórico não foi observada a presença de outras fases Os pós de ZnAl2O4 foram consolidados por prensagem a quente hot press caseira em molde de grafite Os pós de ZnAl2O4 foram carregados livremente 07 g na matriz de grafite O papel grafite foi pavimentado entre o pó compacto e as matrizes A pressão residual do ar no sistema não ultrapassou 10 Pa A taxa de aquecimento foi de 10 ÿCmin O pó sintetizado de aluminato de zinco apresentou razão molar nAl nZn 2027 correspondendo à composição ZnO 10135 Al2O3 Uma pequena redundância de Al2O3 foi permitida uma vez que pode ser dissolvida na estrutura espinélio ocupando os sítios tetraédricos 1415 3 Resultados e discussão A morfologia dos pós foi examinada por microscopia eletrônica de varredura SEM JEOL JSM6390 LA JEOL Ltd Japão A composição de fases dos pós foi identificada por difração de raios X XRD difratômetro Ultima IV Rigaku Japão As amostras foram moídas e polidas com pasta de diamante com granulometria de 5 m A transmissão óptica foi medida por um espectrômetro UVVIS SF2000 na faixa de comprimento de onda de 200 a 1100 nm e um espectrômetro FTIR Bruker Tensor 27 na região de comprimento de onda de 130010000 nm transmissão apresentada sem correção para reflexão A microestrutura das amostras transparentes foi examinada por microscopia óptica modelo Axioplan 2 Carl Zeiss Alemanha O tamanho médio de grão foi determinado pelo método de interceptação após ataque químico A suspensão resultante foi seca em um recipiente de fluoroplástico ao ar a 100 ÿC por 2 h seguida de calcinação a 700 ÿC por 1 h Assim foram obtidos pós contendo 05 e 5 em peso de fluoreto de zinco Micrografias SEM de pó sem ZnF2 mostram que as partículas de ZnAl2O4 representam os grânulos com tamanho de até 10 m Fig 2a que por sua vez consistem em partículas mais finas Fig 2b Isso indica que o pó está aglomerado O pó fortemente aglomerado pode contribuir para a formação de poros durante a sinterização O tempo de imersão na temperatura final 1600 ÿC foi de 1 h A carga principal foi aplicada em temperaturas de 800 ou 1200 ÿC sendo então aumentada gradativamente até 50 MPa 15 MPamin Antes de aplicar a carga principal o compacto estava sob pressão de 27 MPa foi determinado por espectroscopia de emissão atômica com plasma acoplado indutivamente AESICP espectrômetro iCAP 6300 Thermo Elec tron Corp GrãBretanha O sol resultante foi seco em um xerogel a 150 ÿC por 3 h O xerogel final foi posteriormente moído em moinho planetário e calcinado a 750 ÿC por 3 h seguido de peneiramento em peneira 56 m 10 mL de álcool isopropílico anidro soluções de ZnNO32 e HF 45 foram adicionados sequencialmente aos pós de ZnAl2O4 25 g seguido de agitação em moinho planetário 5 min Machine Translated by Google Referência Este trabalho b c ÿ a carga principal foi aplicada a 1200 ÿC microscopia óptica Fig 3 Fotos de amostras de cerâmicas preparadas por prensagem a quente de pós com 505 em peso de ZnF2 e sem aditivo de sinterização transmitância 1 Comparação das características relatadas da cerâmica obtida com os resultados de ÿ70 ÿ65ÿ 07 63 grão médio Espessura mm 11 081 9 33 2749 Em linha ZnF2ZnAl2O4 a ÿ carga principal foi aplicada a 800 ÿC microscopia eletrônica de varredura 2 tabela 1 550 nm 1 75 recozido ao ar 635 trabalhos publicados anteriormente Fig 4 Microestrutura de cerâmica preparada por prensagem a quente de pós 5 em peso tamanho M 7 8 AV Belyaev et al Journal of the European Ceramic Society 37 2017 27472751 05 por perdas ópticas devido ao espalhamento de luz nos poros residuais de Os pós não dopados e dopados com ZnF2 foram usados para sinterização A microestrutura da cerâmica obtida com a aplicação da carga externa pré madura a partir de 800 ÿC apresentou grande número de poros ZnAl2O4 é transparente na faixa de 02 a 75 m e em linha cerâmica não atinge o limite teórico no visível 85 Ex foi estimado de acordo com a borda de absorção UV Fig 6 O 5 em peso com alta pressão de vapor ÿ360 Pa a 950 ÿC na aplicação prematura da pressão externa principal 1000 ÿC pode levar a poros devido à ação de separação do aditivo de sinterização a vapor Semelhante A foto de amostras preparadas de cerâmica ZnAl2O4 é mostrada na Fig 3 carga de pó não dopada foi aplicada a 800 ÿC uma vez que não houve faixa pode ser explicada pela dispersão nos poros grandes residuais concordância com os últimos cálculos teóricos para estrutura eletrônica do material Eg 6 eV 17 O GW calculado e modificado 16 e com temperatura no início do carregamento principal de cerca de 1200 ÿC A posição da borda de transmissão de ondas curtas do apresentado das faixas do visível e do infravermelho próximo cerca de 33m O espectro de transmissão da cerâmica é mostrado na Fig 5 As micrografias da microestrutura de superfície das especificações de ZnAl2O4 5 em peso de ZnF2 são mostradas na Fig 4 resultados de artigos publicados anteriormente 79 A Tabela 1 mostra uma comparação das características ópticas Essa diferença pode ser explicada faixa nanométrica Transmissão de luz da amostra de preparado com tamanhos até 30 m Fig 4a A densidade a granel do espectro opaco 5 em peso de ZnF2 foi de 97 Evaporação do aditivo de sinterização Para pós dopados com ZnF2 a carga foi aplicada a 800 ou 1200 ÿC Para transmissão em 550 nm foi de cerca de 63 O valor do gap necessidade de remover o aditivo de sinterização em altas temperaturas O 06 m e faixas de infravermelho próximo Essas perdas ópticas neste valor de Eg foi de cerca de 605 eV O valor relatado de Eg está em bom Cerâmicas preparadas por prensagem a quente de pó com 5 em peso de ZnF2 defeitos ÿ macroporos microtrincas ÿ foram discutidos em detalhes em O gap de banda de BeckeJohnson para ZnAl2O4 é de 655 e 618 eV respectivamente inchaço da microestrutura ou seja formação de grande número de Fig 4c com dimensões lineares muito maiores que os comprimentos de onda cerâmica é deslocado para a faixa de ondas curtas em comparação com o é o mais transparente O tamanho médio de grão da cerâmica transparente Fig 4b foi Machine Translated by Google 1 A Goldstein A Krell Cerâmica transparente aos 50 anos progresso feito e mais 5 A Wajler A Kozÿowska M Nakielska K LesniewskaMatys A Sidorowicz D Fig 5 Espectro de transmissão da amostra de cerâmica ZnAl2O4 de espessura de 07 mm 2 NJ van der Laag MD Snel PCMM Magusin G de With Propriedades estruturais elásticas termofísicas e dielétricas do aluminato de zinco ZnAl2O4 J Eur 3 J Sanghera et al Transparent ceramics for highenergy laser systems Opt AV Belyaev et al Journal of the European Ceramic Society 37 2017 27472751 Cera Sociedade 24 2004 24172424 6 A Goldstein P Loiko Z Burshtein N Skoptsov I Glazunov E Galun N 2750 perspectivas J Am Ceram Sociedade 99 2016 31733197 Fig 6 Determinação do gap óptico por exemplo da borda de absorção de UV 4 Conclusões Referências Esta pesquisa foi apoiada pelo Cessão Estadual Projeto não 009520160016 A atividade do ZnF2 como aditivo de sinterização é mostrada para a preparação de cerâmica transparente de ZnAl2O4 A prensagem a quente 1600 ÿC 50 ÿPÿ de pós de solgel ZnAl2O4 aglomerados na presença de 5 em peso de ZnF2 torna possível preparar cerâmicas transparentes espessura de 07 mm com faixa de transparência de 02 a 75 m Eg 605 eV transmitância em linha a 550 nm de cerca de 63 e com tamanho médio de grão de cerca de 33 m Reconhecimento Propriedades de absorção não linear de Co2MgAl2O4 cristal Ap Física B 70 2000 179184 Kuleshov K Yumashev Desenvolvimento de absorvedores saturáveis para laser passivo 4 KV Yumashev IA Denisov NN Posnov PV Prokoshin VP Mikhailov Podniesinski P Putyra Absorção não linear de cerâmica transparente de aluminato de magnésio dopado com cobalto de tamanho de grão submicrométrico J Am Ceram Sociedade 97 2014 16921695 Mate 33 2011 511518 Machine Translated by Google Appl Chem Biotecnologia 23 1973 803809 Qswitching próximo a 15 m baseado em cerâmica transparente Co2MgAl2O4 J Am 11 MW Benecke NE Olson JA Pask Efeito de LiF na prensagem a quente de MgO J Am 13 BE Yoldas Hidrólise de alcóxidos de alumínio e conversão de bayerita J 2751 16 A Goldstein J Raethel M Katz M Berlin E Galun Transparent Cerâmica MgAl2O4LiF por prensagem a quente questão dos mecanismos de interação aditivohospedeiro revisitada J Eur Ceram Sociedade 36 2016 17311742 10 L Esposito A Piancastelli S Martelli Produção e caracterização de 7 A Goldstein Y Yeshurun M Vulfson H Kravits Fabricação de policristalinos transparentes ZnAl2O4uma nova cerâmica óptica a granel J Am Ceram Sociedade 95 2012 879882 AV Belyaev et al Journal of the European Ceramic Society 37 2017 27472751 14 AC Sutorik G Gilde JJ Swab C Cooper R Gamble E Shanholtz Cera Sociedade 99 2016 13241331 ZnAl2O4 transparente cerâmica fabricada por sinterização por faísca de plasma J Ceram cerâmica transparente ZnAl2O4 um novo material transparente preparado por sinterização por faísca de plasma Mater Deixe 123 2014 142144 Speybroeck M Waroquier Estrutura eletrônica e banda proibida de óxidos de espinélio de zinco além de LDA ZnAl2O4 ZnGa2O4 e ZnIn2O4 New J Phys 13 2011 063002 8 BN Kim K Hiraga A Jeong C Hu TS Suzuki JD Yun Y Sakka 15 A Krell K Waetzig J Klimke Influência da estrutura de MgOnAl2O3 redes de espinélio no processamento e propriedades de cerâmicas transparentes J Eur Ceram Sociedade 32 2012 28872898 17 H Dixit N Tandon S Cottenier R Saniz D Lamoen B Partoens V Van 9 X Yong F Ping Z Baohua G Juan Z Lin W Xuehua propriedades ópticas de Cera Sociedade 50 1967 365368 Cerâmica policristalina de espinélio de aluminato de magnésio de solução sólida transparente com composição rica em alumina MgO 12Al2O3 J Am Ceram Sociedade 95 2012 636643 Sociedade Jpn 122 2014 784787 12 CRC Handbook of Chemistry and Physics em DR Lide Ed CRC Press Boca Raton FL 2006 MgAl2O4 transparente preparado por prensagem a quente J Eur Ceram Sociedade 33 2013 737747 Machine Translated by Google