研究室成果在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表
2025年10月28日
Y2O3–MgO复合材料因其优异的光学性能、机械强度和热稳定性，在中红外透明材料领域备受关注。相较于其他陶瓷材料，它具有更低的光吸收、更宽的红外透射窗口和更强的抗热震性能。其性能与微观结构密切相关：当晶粒尺寸远小于入射波长且两相分布均匀时，可显著减少相界散射，提高透光率；同时，细化晶粒能增强机械强度。因此，优化相比例、晶粒尺寸和相均匀性是提升其综合性能的关键。共沉淀法可制备高纯度、纳米级、原子级均匀的粉体，是获得高性能Y2O3–MgO复合材料的理想方法。然而，Y3+和Mg2+沉淀所需的pH值差异显著，导致二者难以同步沉淀，易引起粉体化学不均匀，进而损害烧结陶瓷的相均匀性与性能。提高共沉淀pH值可使两种离子完全沉淀，而后续的溶剂热处理可促进颗粒均匀化和结晶度提升。因此，精确控制共沉淀过程的pH值对获得理想微观结构和优异性能至关重要，但目前该参数的影响尚未得到系统研究。
为填补这一空缺，本研究通过精确控制Y2O3-MgO纳米粉体在共沉淀-溶剂热合成过程中的pH值，成功实现了对粉体特性及最终复合材料性能的优化调控。提高合成pH值后，获得了具有近乎理想相比例、小粒径（约18纳米）、低团聚度且相分布均匀的纳米粉体。经热压烧结，制得了全致密的Y2O3-MgO复合材料，其微观结构显著改善，具备理想的相体积比、高相均匀性及细小的平均晶粒尺寸（129±4纳米）。得益于晶界钉扎、米氏散射与霍尔-佩奇机制的协同作用，该复合材料展现出卓越的综合性能：其中红外透光率尤为突出（最高达85%，7 µm处为79%，截止波长覆盖1.0–11.5µm，接近理论极限且为目前报道最高），同时兼具高硬度（11.19 GPa）和断裂韧性（2.43 MPa·m1/2）。此项研究不仅为中红外透明Y2O3-MgO复合材料提供了新见解，更确立了一种通用策略：通过调控前驱体pH值来控制纳米粉体的化学与形貌，从而为极端环境定制高性能多晶材料。
