制备及表征5.4ZnO透明陶瓷

本节实验是在中国式SPD 6×1200型六面顶高压设备上进行的。采用的组装为旁热式组装，合成工艺为一次升温升压工艺。粒度为0.2～0.5 μm，预压成合成样品。制备的压力和温度分别为5 GPa、500～1000℃，时间为0.3h。

图5−5给出了在5GPa、800℃条件下制备的ZnO样品的光学和SEM照片。从图5−5a中我们可以看出，ZnO样品尺寸为φ 13×2 mm，呈浅黄色透明体，但透明度较低。从图5−5b可以看出，ZnO的粒径大小不均，为0.5～2 μm，并且有较为明显的晶界和凹坑，说明表面粗糙度较低。我们认为，造成ZnO透明度较低的因素主要有以下两个方面：首先，由于初始ZnO粉体粒径差别较大，导致后期ZnO陶瓷烧结过程中，陶瓷颗粒生长大小的不均，因而发生尺寸效应所带来的双折射所致；其次，晶界以及表面粗糙度较差，使得对入射光产生了折射和反射，降低了ZnO的透过率。

图5-5 在5 GPa、800℃条件下制备的ZnO陶瓷的光学照片和SEM照片

图5-6 ZnO的XRD图谱

a）为初始粉体ZnO b）为5 GPa、800℃条件下制备的ZnO陶瓷

另外实验还发现，在5 GPa的条件下，ZnO透明陶瓷烧结的温度区间较窄，约为80℃。图5−6 a、b分别为ZnO粉体和5 GPa、800℃条件下制备的ZnO样品的XRD图谱。从图中结果比较可以看出，ZnO粉体和5 GPa、800℃条件下制备的ZnO陶瓷均为纤锌矿结构。另外，还可以看出，同ZnO粉体相比，ZnO陶瓷的衍射峰发生了大角度位移。通过对两种材料的晶格常数（见表5−2）计算可知，ZnO陶瓷晶格常数发生了较大的变化，体积减小了4.6%，说明压力的增加将伴随ZnO晶胞体积的减小，这一结果也与A.Sans^[11]等的研究结果是一致的。

表5-2 ZnO粉体和在5.0 GPa和800℃的条件下制备的ZnO陶瓷的晶格常数比较(www.xing528.com)

根据Inoue等在8.5 GPa，1000 K条件下获得的ZnO相变平衡压力与温度的关系P(GPa)=8.0−0.0023×T(K)表明，在上述的条件下，ZnO陶瓷不能发生相转变，仍为纤锌矿结构。从图5−5a中我们还可以看出，ZnO透明陶瓷中有少量的裂痕。我们认为，这是由于ZnO陶瓷晶胞体积减小，导致晶体中产生应力所致。其应力类型可根据公式确定^[12]：

σ=−453.6×109[(C−C₀)/C₀] （5−2）

式中，C₀为粉末样品的晶格常数；C为样品的晶格常数。由此ZnO陶瓷的晶格发生了畸变，沿a和c轴方向存在着张应力，这可能与高压下ZnO材料中的锌间隙或氧空位等缺陷有关。

图5−7为在5 GPa、800℃条件下制备的ZnO陶瓷的EDS的检测结果。从图5−7的EDX的检测结果可以看出，这种ZnO陶瓷处于富Zn状态，约为5.4%，这一结果也验证了以上ZnO陶瓷的应力以及颜色来自于Zn_i或V_o。

图5-7 ZnO的EDX图谱