溶胶凝胶法制备铜铁矿结构CuAlO2陶瓷及性能研究

摘要

透明导电氧化物(TCO)薄膜具有良好的电导率、较高的可见光透射率等特性，在太阳能电池、平板显示等光电器件领域已取得广泛应用。目前制备CuAlO2薄膜所需的陶瓷靶材多数采用高温固相法制得，该工艺烧结温度高时间长。本文采用柠檬酸络合的溶胶凝胶法制备CuAlO2粉末，通过单向冷压成型和常规烧结工艺制备成陶瓷。利用差示扫描量热分析仪分析样品的热分解过程、利用X射线衍射仪分析样品的物相结构、利用红外光谱分析仪分析柠檬酸络合机理、利用扫描电子显微镜分析样品的微观形貌、利用四探针法测量CuAlO2陶瓷电性能、利用阿基米德排水法测量陶瓷密度。得出如下结论:
　　1).干凝胶燃烧后分解为CuO和Al2O3，两者反应形成CuAl2O4相的合成温度约为750℃，CuAlO2相合成温度约为1050℃。以去离子水为溶剂、络合比为1∶1、pH值为0.67制得的干凝胶于1100℃煅烧4h可得纯CuAlO2相粉末，粒径约20～50μm。
　　2).干凝胶燃烧产物经机械球磨处理后，CuAlO2相合成温度约886℃，当煅烧条件为1050℃×4h时可形成纯CuAlO2相。干凝胶燃烧产物经无水乙醇湿法研磨处理后，CuAlO2相合成温度约878℃，当煅烧条件为950℃×4h时可形成纯CuAlO2相，粉末粒径约1～20μm。两种颗粒细化工艺均可明显降低CuAlO2相的合成温度。添加PVA做为分散剂制备的CuAlO2粉末颗粒均匀性好，粉末粒径约10～30μm。
　　3).用溶胶凝胶法制备的CuAlO2粉末，常规压制烧结制备CuAlO2陶瓷，在空气气氛于1100℃烧结4h条件下，压制压强越大，陶瓷烧结后的致密度越大，电阻率越小，最大致密度为80.43％，最小电阻率为15.1Ω·cm。
　　4).550MPa压制的压坯，在真空下烧结出现分解;在空气气氛下烧结的陶瓷致密度随烧结温度升高而增加，最佳的烧结温度为1100℃;烧结时间过长致密度下降，电阻率变大，最佳保温时间为4h，陶瓷致密度为75.3％，电阻率最低为18.3Ω·cm;湿法研磨的CuAlO2粉末与未细化处理的CuAlO2粉末以1∶1的质量比混合，在450MPa压制成型和1100℃×4h烧结工艺后，致密度为92.3％，电阻率为13.6Ω·cm。
　　5).CuAlO2的合成和烧结同步进行的反应烧结法简化了工艺步骤，950℃烧结4h制备的纯CuAlO2相陶瓷致密度为55％，电阻率为116.7Ω·cm。采用高温固相法1100℃煅烧10h制备的纯CuAlO2相粉末，550MPa压制成型，空气气氛下1100℃烧结4h制备的陶瓷致密度为86.6％，电阻率为96.3Ω·cm。溶胶凝胶法制备CuAlO2陶瓷与高温固相法的相比，陶瓷烧结体致密度更高电阻率更低。
　　6).采用溶胶凝胶法制备CuAl1-xMxO2(M=Mg，Ni，x=0～7％)陶瓷，随着掺杂量增加容易产生CuO、CuAl2O4、MgAl2O4、NiAl2O4杂相，两种元素的最佳掺杂量都为1％，CuAl0.99Mg0.01O2陶瓷致密度为84.28％，电阻率为25.6Ω·cm，CuAl0.99Ni0.01O2陶瓷致密度为81.37％，电阻率为23.7Ω·cm。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 CuAlO2概述

1．3 CuAlO2的研究现状

1．4 本论文选题意义及研究内容

第二章 样品的制备及表征方法

2．1 样品的制备

2．2 样品的测试及其性能表征方法

2．2．1 物相分析

2．2．2 热稳定性分析

2．2．3 红外光谱分析

2．2．4 形貌及成分分析

2．2．5 陶瓷的密度测量

2．2．6 陶瓷的电阻率测量

第三章 CuAlO2粉末的制备与表征

3．1 溶胶凝胶法制备CuAlO2粉末

3．1．1 干凝胶的热分析

3．1．2 溶剂对CuAlO2相结构影响

3．1．3 络合比对CuAlO2相结构影响

3．1．4 pH对CuAlO2相结构影响

3．1．5 柠檬酸络合机理分析

3．2 CuAlO2粉末制备工艺的优化

3．2．1 基于颗粒细化的工艺优化

3．2．2 基于PVA添加剂的工艺优化

3．3 本章小结

第四章 CuAlO2陶瓷的制备与性能表征

4．1 常压烧结法制备CuAlO2陶瓷

4．1．1 压制工艺对CuAlO2陶瓷致密度及电导率的影响

4．1．2 烧结工艺对CuAlO2陶瓷致密度及电导率的影响

4．1．3 粉末粒度及组成对CuAlO2陶瓷致密度及电导率的影响

4．1．4 Mg、Ni掺杂CuAl1-xMxO2陶瓷的制备

4．2 反应烧结法制备CuAlO2陶瓷

4．2．1 烧结工艺曲线的制定

4．2．2 CuAlO2陶瓷物相结构及性能分析

4．3 高温固相法制备CuAlO2陶瓷

4．4 工艺对比分析

4．5 本章小结

全文总结

论文创新点

有待进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢