Ceramics International/大晶粒SrF₂透明陶瓷烧结温度对微观组织与光学性能影响研究

研究背景

氟化锶（SrF₂）透明陶瓷具备低声子能量、宽透光范围、高热导率等优势，是固体激光器、光学窗口等领域的关键材料。但现有SrF₂陶瓷可见光透过率远低于理论值，烧结残留气孔、晶界散射是主要制约因素。传统研究多聚焦细晶调控提升透光率，关于大晶粒SrF₂陶瓷烧结工艺与性能关联的系统性研究较少，亟需探索新路径以突破短波长透光瓶颈。

研究亮点

主要研究成果

本研究聚焦SrF₂透明陶瓷的制备工艺优化与性能提升，取得了突破性研究成果，成功解决了传统SrF₂陶瓷晶粒尺寸受限、光学与力学性能难以兼顾的技术难题。工艺方面，创新采用化学沉淀法制备高纯度、高分散性SrF₂纳米粉体，搭配高温热压（HP）烧结工艺，通过精准调控烧结参数，首次实现了330μm超大晶粒SrF₂透明陶瓷的可控制备，填补了超大晶粒SrF₂透明陶瓷制备领域的技术空白，为同类氟化物透明陶瓷的晶粒尺寸调控提供了新路径。

光学性能上实现重大突破，1100℃烧结所得样品在400nm可见光波段透光率达到72.2%，相比传统细晶SrF₂陶瓷提升幅度超过68%，有效解决了细晶样品透光率不足的问题；在3–9.6μm红外波段，样品透过率稳定超过90%，具备优异的红外透光性能，可满足红外光学器件的应用需求。

力学性能方面，该大晶粒SrF₂透明陶瓷表现出强韧兼备的特点，其维氏硬度达2.63GPa，显著高于SrF₂单晶材料，断裂韧性为0.31MPa·m¹/²，有效提升了陶瓷的抗磨损、抗断裂能力，实现了高光学透过性能与优异力学性能的协同统一。本研究成果为SrF₂透明陶瓷在红外探测、光学窗口等领域的工程化应用奠定了坚实的理论与技术基础，具有重要的学术价值和应用前景。

图1 SrF₂的XRD图谱：（a）SrF₂的标准 PDF 图谱；（b）纳米粉末；（c）陶瓷在1100 ℃下通过 HP 烧结

图2  SrF₂纳米粉末的SEM图像

图3 SrF₂粉末煅烧前后的FT-IR光谱

图4 不同温度下烧结2h的热压样品照片

图5 不同温度烧结的SrF₂透明样品的透过率曲线

图6 不同温度烧结的SrF₂透明陶瓷在红外波段的透过率曲线

图7 不同温度下烧结的透明SrF₂陶瓷的断口表面形貌：（a）800℃；（b）1000℃；（c）1050℃；（d）1100℃；（e）1150℃

图8 在不同温度下烧结的 SrF₂陶瓷的化学蚀刻表面：（a）800℃；（b）1000℃；（c）1050℃；（d）1100℃；（e）1150℃

图9 不同温度烧结的透明SrF₂陶瓷的平均晶粒尺寸及400 nm波长处的透过率

图10 SrF₂透明陶瓷表面诱发裂纹的维氏硬度压痕

结论与意义

本研究通过工艺创新与参数优化，成功完成了SrF₂透明陶瓷的制备及性能调控，得出以下核心结论：采用化学沉淀法结合高温热压（HP）烧结工艺，可实现330μm超大晶粒SrF₂透明陶瓷的可控制备；1100℃烧结样品在400nm可见光波段透光率达72.2%，较细晶样品提升超68%，3–9.6μm红外波段透过率超90%，光学性能表现优异；该陶瓷维氏硬度2.63GPa、断裂韧性0.31MPa·m¹/²，优于SrF₂单晶，实现了光学与力学性能的协同兼顾，有效解决了传统SrF₂陶瓷的核心技术痛点。

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