用于中红外（MIR）窗口应用的火花等离子烧结氮化铝陶瓷的研究

《International Journal of Applied Ceramic Technology》：Investigation of spark plasma sintered aluminum nitride ceramics for MIR windows applications

采用火花等离子体烧结技术制备添加氟化钙的透明氮化铝陶瓷，优化组成（97% AlN+3% CaF?）获得99%相对密度、95.2 W/m·K热导率及2.5-6.0 μm稳定透射，表面粗糙度0.1855 μm，适用于中远红外窗口材料。

　　

摘要

本研究报道了采用火花等离子烧结（SPS）技术制备适用于中红外（MIR）应用的半透明级氮化铝（AlN）陶瓷的过程。为了提高致密度和透光性，添加了低熔点添加剂CaF₂，并控制了其添加比例。经过优化后的配方为97 wt%的AlN和3 wt%的CaF₂，所得陶瓷的相对密度达到99%，硬度为1289 HV₁。在1800°C的烧结温度下，制备出了近乎整体致密的AlN陶瓷，其平均晶粒尺寸为2.30 μm，热导率为95.2 W/m·K，且几乎没有二次相和孔隙。因此，该陶瓷在2.5–6.0 μm波长范围内的透射效率显著提高，这归因于清晰的晶界结构有效减少了散射损失。此外，含有CaF₂的AlN样品主要表现为晶界断裂；而未添加CaF₂的AlN在高温下会发生氧化，导致体积密度增加并主要以晶内断裂为主。另外，利用微激光辅助加工技术对样品表面进行精加工后，表面粗糙度达到了0.1855 μm。总体而言，所开发的AlN陶瓷在光学、热学和力学性能方面表现出优异的特性，具有作为中红外窗口材料的潜力。