Влияние осажденного диоксида кремния на улучшение прозрачности керамики

Керамические материалы — это класс неорганических неметаллических материалов, получаемых путем формования природных или синтетических соединений с последующим высокотемпературным спеканием. Они обладают высокими температурами плавления, высокой твердостью, превосходной износостойкостью и стойкостью к окислению. В то время как традиционная керамика отдает приоритет механическим свойствам, растущие требования со стороны оптической и электронной отраслей значительно увеличили потребность в прозрачной керамике.

В практических применениях керамики осажденный диоксид кремния служит высокоэффективной нанодобавкой, которая значительно повышает механическую прочность, поведение при спекании, оптические характеристики и микроструктуру керамики, тем самым улучшая ударную вязкость матрицы, снижая температуру спекания и сокращая время спекания.

Но как осажденный диоксид кремния с различной удельной поверхностью влияет на прозрачность и мутность керамики?

Исследователи из компании Hubei Huifu Nanomaterial Co., Ltd. сосредоточились на изучении влияния осажденного диоксида кремния с низкой и высокой удельной поверхностью при различных уровнях добавления на прозрачность и мутность керамики, стремясь выяснить лежащие в основе механизмы и предоставить теоретическую основу для оптимизации характеристик керамики.

В эксперименте с осажденным диоксидом кремния с низкой удельной поверхностью специалисты использовали 1%, 3%, 5%, 8%, и 10% Они добавили осажденный диоксид кремния в экспериментальные образцы керамики и протестировали их пропускание света и мутность по сравнению с контрольным образцом. Они заметили, что кривая оранжевой мутности оставалась относительно плоской, при этом мутность постоянно составляла около 96%При этом кривая пропускания синего цвета показала общую тенденцию к росту, увеличившись примерно с 10% до 12%. Это указывает на то, что добавление осажденного диоксида кремния с низкой удельной поверхностью умеренно улучшило пропускание керамики с минимальным влиянием на мутность.

В эксперименте с высокоплотным диоксидом кремния специалисты аналогичным образом добавляли 1%, 3%, 5%, 8% и 10% диоксида кремния к образцам керамики и измеряли пропускание света и мутность по сравнению с контрольным образцом. Оранжевая кривая мутности снова оставалась стабильной на уровне около 95.5%, в то время как синяя кривая пропускания заметно возросла, примерно с 10% до 14%.

По сравнению с осажденным диоксидом кремния с низкой удельной поверхностью, осажденный диоксид кремния с высокой удельной поверхностью продемонстрировал более выраженное улучшение пропускания света. Это объясняется большей удельной поверхностью и более высокой плотностью поверхностных силанольных групп, которые при диспергировании в керамической матрице проявляют большую реакционную способность. Это способствует более сильному взаимодействию с поверхностями керамических частиц во время спекания, стимулируя перегруппировку и уплотнение частиц, а также более эффективно устраняя поры.

Итак, каким именно образом осажденный диоксид кремния повышает прозрачность керамики, одновременно стабилизируя мутность?

1. Эффект заполнения и уплотнения

Наноразмерные частицы осажденного диоксида кремния способны проникать в межзерновые пустоты керамики. На стадии спекания поверхностные силанольные группы осажденного диоксида кремния могут образовывать водородные или химические связи с функциональными группами на поверхности керамических частиц, усиливая межчастичные связи и массоперенос. Это ускоряет процесс спекания, приводя к получению более плотного заготовки. Исходные поры в керамике частично заполняются или вытесняются при помощи осажденного диоксида кремния, а более крупные поры уменьшаются в размере, тем самым минимизируя рассеяние света, вызванное порами.

2. Эффективное подавление внутреннего рассеяния света.

В поликристаллической керамике основными источниками рассеяния света являются границы зерен. В обычной керамике часто присутствуют аморфные фазы или примеси на границах зерен, что приводит к значительному несоответствию показателей преломления между зернами и границами и, следовательно, к сильному рассеянию.

При введении осажденного диоксида кремния в керамическую систему образуются границы раздела между осажденным диоксидом кремния и керамической матрицей, которые подавляют неупорядоченный рост аморфных фаз на границах зерен. Это способствует формированию более однородной однофазной структуры границ, что приводит к образованию более мелких и однородных зерен, а также более гладких и правильных границ зерен, в совокупности уменьшая рассеяние света, вызванное границами зерен.

Благодаря этим механизмам, осажденный диоксид кремния минимизирует внутренние центры рассеяния света в керамике — в первую очередь поры, а также крупные зерна и дефектные границы зерен, — что позволяет свету проходить через материал более эффективно и тем самым значительно повышает светопропускание.

Более того, анализ данных экспериментов с диоксидом кремния с низкой и высокой удельной поверхностью при различных уровнях добавления подтверждает, что как удельная поверхность, так и дозировка диоксида кремния являются ключевыми параметрами для регулирования прозрачности и мутности керамики. Благодаря множественным механизмам, включая нанонаполнение, оптимизацию кинетики спекания и химическое регулирование поверхности, диоксид кремния повышает пропускание света, сохраняя при этом стабильную мутность, что обеспечивает надежную теоретическую поддержку масштабируемого производства высокоэффективной прозрачной керамики.

В будущем ожидается, что более глубокая интеграция технологий модификации поверхности осажденного диоксида кремния с передовыми процессами формования керамики приведет к прорывным применениям прозрачной керамики в оптических устройствах для экстремальных условий, биомедицинских материалах и других передовых областях, продвигая китайскую индустрию новых материалов к высокотехнологичному сегменту глобальной цепочки создания стоимости.