利用火花等离子烧结技术优化核医学用氧化钆靶材的生产工艺

《Ceramics International》：Optimization of the Production Process of Gadolinium Oxide Targets for Nuclear Medicine by Spark Plasma Sintering

MgO基陶瓷通过真空热压烧结制备，利用青海盐湖提取的高纯度Mg(OH)?为前驱体，研究纳米MgO、Al?O?/ZrO?添加剂（5-20 wt%）对相组成、致密化、力学性能及热冲击性能的影响。纳米MgO细化晶粒，Al?O?生成MgAl?O?增强晶界，ZrO?提高断裂韧性。实验表明A05（5 wt% Al?O?）具有最高硬度（840 HV），Z10（10 wt% ZrO?）致密化最佳（密度3.697 g/cm3），10 wt% Al?O?/ ZrO?组合热冲击性能最优。

　　

作者： Lv Canbiao | Wang Jinhui | Yan Wen | Li Hui-fang

摘要

本研究采用源自青海盐湖资源的高纯度Mg(OH)₂作为前驱体，通过真空热压烧结法制备了基于MgO的陶瓷。系统研究了纳米级MgO以及微米级Al₂O₃/ZrO₂（添加量为5–20 wt%）对陶瓷的相变、致密化行为、力学性能和抗热震性能的影响，并进行了对比分析。纳米级MgO主要起到了细化晶粒尺寸的作用，并促进了致密化过程，同时没有形成可检测到的二次相，从而显著改善了材料的性能。Al₂O₃促进了MgAl₂O₄尖晶石的原位形成，增强了晶界强度；含有5 wt% Al₂O₃的样品表现出最高的抗压强度（约8000 N）和硬度（约840 HV）。ZrO₂主要作为分散的第二相存在；含有10 wt% ZrO₂的样品达到了最高的体积密度（3.697 g•cm^-3）和最低的孔隙率（0.373%），同时保持了较高的抗压强度（约7000 N）和硬度（约750 HV）。抗热震性能方面，含有10 wt% Al₂O₃的样品表现最佳（能够承受多达八次淬火循环），其次是含有10 wt% ZrO₂的样品（能承受七次淬火循环）。这种性能提升归因于添加剂对晶界的强化作用、裂纹偏转/应力重分布以及关键缺陷尺寸的减小。

引言

基于氧化镁（MgO）的陶瓷由于其出色的热稳定性、化学惰性和耐腐蚀性，被广泛应用于耐火材料、冶金过程和高温结构部件中。然而，纯MgO基陶瓷的实际应用受到其高烧结温度、较差的晶界结合力、高孔隙率以及相对较低的力学强度和抗热震性能的限制[1],[2],[3]。因此，提高MgO基陶瓷的致密化程度和整体性能仍是研究的重点。

在这方面，中国的青海盐湖提供了丰富的高纯度氢氧化镁[Mg(OH)₂资源，这种资源可作为制备MgO基陶瓷的优秀前驱体[4],[5],[6],[7]。利用这些自然资源不仅有助于提高盐湖副产品的附加值，还能制备出具有高纯度和可控微观结构的MgO基陶瓷[8]。这种区域背景突显了开发基于资源的先进陶瓷的重要性，同时也为工业应用提供了可持续的途径。

为了克服MgO基陶瓷的局限性，人们广泛研究了添加剂的引入[9]。研究表明，纳米级MgO在烧结过程中可作为异质成核点，抑制异常晶粒生长并细化微观结构，从而适度提高致密化和强度。Al₂O₃能与MgO反应生成原位的MgAl₂O₄尖晶石，有效增强晶界强度、提高致密度和硬度；但过量的Al₂O₃会导致残余孔隙和应力集中，从而降低性能[10],[11],[12],[13]。ZrO₂是另一种广泛研究的添加剂，以其与应力诱导的四方相到单斜相转变及裂纹偏转相关的增韧机制而闻名。先前的研究表明，ZrO₂的添加可以提升氧化陶瓷的断裂韧性和抗热震性能，但其最佳添加量及其与MgO基陶瓷的兼容性仍需进一步研究[14],[15],[16]。

尽管取得了这些进展，但大多数研究仅关注单一添加剂或有限的成分范围，缺乏在同一实验框架内对不同类型和含量添加剂的系统比较。此外，基于盐湖资源制备的氢氧化镁前驱体的研究较少，关于区域原材料对微观结构和性能影响的认识也存在不足[17]。

在本研究中，纳米级MgO以及微米级Al₂O₃和ZrO₂（见表1）被用作添加剂，以调整MgO基陶瓷的致密化和微观结构。MgO基陶瓷采用从青海盐湖提取的高纯度Mg(OH)₂通过热压烧结法制备。系统研究了不同含量（5–20 wt%）的纳米级MgO、Al₂O₃和ZrO₂对陶瓷的相变、致密化、微观结构、力学性能和抗热震性能的影响，重点探讨了添加剂化学成分和添加量在晶粒细化、尖晶石形成及裂纹扩展行为中的作用机制。这突显了开发基于资源的先进陶瓷的重要性，并为工业应用提供了可持续的途径。

实验过程

热处理过程

实验中使用的化学试剂及其混合比例分别列于表1和表2中。每种添加剂（纳米级MgO、Al₂O₃、ZrO₂）分别与Mg(OH)₂以5%、10%、15%或20%的比例干混。混合物悬浮在去离子水中，磁力搅拌30分钟，然后在真空条件下110°C下干燥4小时，最后用玛瑙研钵研磨并通过100目筛网以确保成分均匀性。热压烧结在真空环境中进行

MgO基陶瓷的XRD分析

图1显示，MgO基陶瓷的相变强烈依赖于添加剂的类型和含量。对于纳米级MgO添加的样品，XRD图谱主要由MgO的衍射峰组成，未检测到新的相，表明纳米级MgO主要调节了结晶度和微观结构演变，而非产生反应产物。相比之下，Al₂O₃的添加导致MgAl₂O₄相关衍射峰的出现和逐渐增强

结论

• 1.
  添加剂显著改善了MgO基陶瓷在热压烧结过程中的致密化和性能。在当前条件下，最佳添加量为M05、A05和Z10。
• 2.
  致密化标准（本工作定义）：“烧结性能”指体积密度最大化+孔隙率最小化+微观结构均匀性。根据这一标准，Z10样品具有最佳的致密化效果（最高密度、最低孔隙率）。
• 3.
  力学性能方面，A05样品表现出最佳性能

作者贡献声明

Wen Yan：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。Jinhui Wang：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。hui-fang Li：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。Canbiao Lv：撰写 – 原稿撰写，方法设计，实验实施，概念构思

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U21A2058）的资助