1、分类号：TN305.3 U D C：D10621-408-(2011)2925-0密 级：公 开 编 号：2007033040成 都 信 息 工 程 学 院学 位 论 文不同掺杂浓度对 Al2O3:Cr 光电特性的影响论文作者姓名：申请学位专业： 应用物理学申请学位类别： 工学学士指 导 教 师 姓 名 （职 称 ）：论文提交日期：毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构
2、的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文
3、中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日不同掺杂浓
4、度对 Al2O3:Cr 光电特性的影响摘 要氧化铝陶瓷具有绝缘、高机械强度、耐高温的性质，氧化铝也可做成透明陶瓷、生物惰性陶瓷等功能材料。本文介绍了掺Cr氧化铝陶瓷的制备流程，采用固相烧结法制备了3组浓度分别为0.641wt%、3.258wt%、6.635wt%的Cr掺杂Al2O3样品，通过X射线衍射仪(XRD)、荧光分光光度计、四探针测试仪的测试，分析了掺杂不同浓度Cr对氧化铝陶瓷光学、电学性能的影响。研究发现3组样品都显示出上转换发光特性；Cr 3+掺杂浓度越高，样品的荧光发射强度越低；在400500nm激发波长范围内，0.641wt%样品共测得 5个发射峰，其中691nm处的发射峰最尖锐
5、，3.258wt%样品也在691nm处测得发射峰， 6.635wt%样品在220320nm激发波长范围内在356nm和709nm处有发射峰；提高Cr 3+的掺杂浓度可降低Al 2O3的烧结温度；烧结后样品的致密度在 3.258wt%的掺杂浓度处最小；掺杂浓度对晶面间距的影响甚微；随着掺杂浓度的增加，样品的平均电阻率呈逐渐降低的趋势。迄今发现利用氧化铝制成的陶瓷具有许多优异性能，使氧化铝陶瓷逐渐成为研究热点。关键词：Al 2O3陶瓷；Cr掺杂；浓度；固相烧结法；光电特性The Influence of Various Doping Concentration on Photoelectric P
6、roperties of Al2O3: CrAbstractAlumina ceramics has high mechanical strength, insulation, high temperature resistant properties, also can make it as function material like transparent alumina ceramic, biological inert ceramics, and so on. In this article, the preparation of alumina ceramics doped wit
7、h Cr process have been described and a concentration of three groups, namely, 0.641wt%, 3.258wt% and 6.635wt% of the Cr doped Al2O3 sample have been prepared. Through X-ray diffraction (XRD), four-probe meter test and Spectrofluorophotometer, it analyzes optical properties and electrical properties
8、of doping Cr with alumina ceramics. Three samples show that up-conversion luminescence properties. The higher Cr3+ doped concentration, the lower fluorescence emission intensity. In the excitation wavelength 400 500nm range, 0.641wt% sample has five emission peaks. There are the most strong emission
9、 peaks of both 0.641wt% and 3.258wt% at 691nm. Two emission peaks of the 6.635wt% sample are, respectively, 356nm and 709nm, in excitation wavelength range 220 320nm. Increasing the concentration of Cr3+ in Al2O3 can reduce the sintering temperature. Sintered density of samples increased with the co
10、ncentration is not monotonously increasing, however, there is a minimum among three doping concentrations. With doping concentration increasing, the impact of spacing is almost unchanged. With the doping concentration increasing, the average resistivity of the samples is showing downward trends. So
11、far found the ceramic made of alumina has many excellent performances, alumina ceramics gradually become a hotspot.Key words: Al2O3 ceramic; Cr doped; Concentration; Solid phase sintering; Optical properties目 录论文总页数：19 页1 引言 .12 氧化铝陶瓷 .12.1 氧化铝晶体结构 .22.2 氧化铝的物理性能 .22.3 氧化铝陶瓷中添加剂的作用及机理 .23 氧化铝陶瓷的制备工艺
12、过程 .33.1 原料及其加工工艺 .33.2 配料计算 .33.3 备料工艺 .33.3.1 原料的煅烧 .33.3.2 熔块合成 .43.3.3 粉料的制备 .43.3.4 浆料压滤、困料 .53.3.5 干燥、加黏合剂和造粒 .53.4 成型 .63.5 排胶 .73.6 烧结 .73.6.1 升温阶段 .83.6.2 保温阶段 .83.6.3 冷却阶段 .84 样品的制备 .84.1 实验设备 .84.2 掺铬氧化铝陶瓷的制备 .95 实验结果与分析 .105.1 发射光谱与激发光谱 .105.1.1 烧结后每组样品的发射光谱和激发光谱 .105.1.2 不同浓度样品的发射光谱与分析
13、.125.2 X 射线衍射分析 .135.2.2 晶胞参数的计算与分析 .145.2.3 晶面间距的分析 .155.3 四探针测试样品电阻率 .16结 论 .16参考文献 .17致 谢 .18声 明 .19第 1 页 共 19 页1 引言陶瓷是以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品的统称。新型无机材料不仅熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损，而且一些特殊陶瓷还具备一些特殊的物理性能。甚至在有些情况下，陶瓷是唯一能选用的材料。目前，陶瓷材料、金属材料和高分子材料被称为三大固体材料 1。2000年，Murotani等 2制备了掺Cr 3+的Al 2O3多晶陶瓷，但
14、其气孔率高达24%，材料不透明。2005年，曾智江等 3采用传统无压烧结工艺制备出透明性良好的掺Cr 3+氧化铝陶瓷，并测定了其吸收光谱、发射光谱和激发光谱、结果表明Cr：Al 2O3陶瓷吸收峰与红宝石单晶一致，吸收截面大小与红宝石单晶相近；陶瓷中Cr 3+离子所处格位的晶场强度较红宝石单晶弱，但其发射谱仍相当尖锐。该成果可以降低产品生产成本、提高生产效率、制造大尺寸和形状复杂的样品等 4。本课题是在曾智江等人所做实验的基础上，引入Cr 3+掺杂浓度这一变量，采用固相烧结法制备3组浓度分别为0.641wt%、3.258wt%、6.635wt%的Cr掺杂Al2O3陶瓷，利用荧光分光光度计和四探针
15、测试仪对样品进行测试，并研究掺杂浓度对Al 2O3陶瓷的光学性能和电学性能的影响。另外，使用 X射线衍射仪(XRD)研究掺杂浓度对Al 2O3陶瓷晶格参数的影响。如今，研究 Al2O3陶瓷在透明、耐高温、上转换发光等方面的应用很多，遗憾的是至今尚未有研究Cr掺杂浓度对氧化铝陶瓷的光电特性的影响的报道，此课题恰好可以填补这方面的空白；亦可为旨在提高氧化铝陶瓷光电特性的研究提供实验依据。2 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷至今是一种重要的陶瓷材料，其主要原料是氧化铝(Al 2O3)。氧化铝透明陶瓷，不仅透近红外还透可见光。透明陶瓷与玻璃相比，具有高强度、高硬度、高韧性以及更好的抗表面损坏性能；与单晶相比，制备
16、温度低、生产周期短，而且在大尺寸和结构设计上比单晶更容易实现。这些优异的性能使透明陶瓷逐渐成为研究热点 5。氧化铝陶瓷由于机械强度高、绝缘强度大，用作真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和外壳、电火花等 6。氧化铝陶瓷是重要的耐火材料，主要用于制作内燃机的火花塞、火箭、导弹流罩、轴承、活塞、切削工具，石油及化工用泵的密封环，熔化金属的坩埚及高温热电偶套管等。氧化铝陶瓷还是主要的生物惰性陶瓷材料，这类材料在生物体内几乎不发生变化，有良好的生物相容性 7。此外，稀土掺杂氧化铝粉末在光学高温传感方面表现出较强的应用潜力 8。第 2 页 共 19 页2.1 氧化铝晶体结构Al2O3 陶瓷是以
17、-Al2O3 为主晶相的陶瓷材料，其同素异构体有十多种，常用的有 -Al2O3，-Al 2O3， -Al2O3 三种。Al 2O3 的晶体结构不同其性能也不相同。-Al2O3 属于尖晶石型（立方）结构，氧原子呈立方紧密堆积，铝原子填充在间隙中。 -Al2O3 密度小，高温不稳定，可以转化为 -Al2O3，密度随加热温度升高而发生变化，图 2-1 为-Al2O3 加热时的密度变化。工业Al2O3 中绝大多数是 -Al2O3。在自然界中 -Al2O3 不存在。其结构松散，机电性能较差，但可以用来制作多孔特殊用途的材料。-Al2O3 并不是 Al2O3 的变体，而是一种含量很高的钠的多铝酸盐矿物，化
18、学式为 Na2O11Al2O3，密度 3.25g/cm3。空气中加热 1600C 开始转变为 -Al2O3。-Al2O3 呈三方晶系，单晶体也称刚玉，室温下结构最稳定。其中氧离子占密排六方介电位置，铝离子配置在氧离子组成的八面体间隙中，但只填 2/3，如图 2-2。铝离子的排列要满足铝离子之间的间距最大，因此每三个相邻的八面体间隙，就有一个是有规律地空着。每个晶胞有 6 个氧离子、4 个铝离子。2.2 氧化铝的物理性能纯的 Al2O3 是无色的氧化物（白宝石） ，含有 Cr 为红色（红宝石） ，含 Ti为蓝色（蓝宝石） ，含 Co、Ni、V 为绿色（绿宝石） ，含 Fe 和 Mn 时为玫瑰红色等。熔点 2050C，莫氏硬度为 9，密度 3.954.10g/cm 3，膨胀系数与金属相当；不溶于酸，具有良好的化学稳定性、介电性能和机械性能。-Al 2O3 的禁带宽度为 2.5eV，接近半导体的禁带宽度；-Al 2O3 的禁带宽度为 7.37.8eV，所以是很好的绝缘材料。2.3 氧化铝陶瓷中添加剂的作用及机理就提高烧结性能而言，氧化物添加剂大致分为两类：与 Al2O3 形成固溶体、图 2-1 -Al2O3 加热时密度变化曲线+EmptyhaleAl3+O2-图 2-2 -Al2O3 晶体结构
