Enhancing the Optical Properties of α-SiAlON Ceramics Using Two-Stage High Energy Milling Method

Year 2020, Volume: 23 Issue: 4, 1051 - 1057, 01.12.2020

Suna Avcıoğlu Semra Kurama Erhan Ayas Kubra Gürcan

https://doi.org/10.2339/politeknik.605397

Abstract

In
this study, semi-transparent Dy/Y-α-SiAlON ceramics were produced using spark
plasma sintering (SPS) technique. The effects of the production of the initial
powder mixture by two-stage high-energy milling method on the phase
composition, microstructure and optical properties of translucent α-SiAlON
ceramics were investigated. In the first stage of the milling process, it was
aimed to reduce the amount of AlN based secondary phases (polypoids) which
could occur in the final product by reducing the particle size before adding
the AlN powder to the mixture and to reduce the decrease in transparency due to
the variety of phases. The particle size distribution of the AlN powders before
and after milling was characterized by laser diffraction spectroscopy.
Microstructure and phase characterization of spark plasma sintered (SPS)
α-SiAlON ceramics were performed using scanning electron microscopy (SEM) and
X-ray diffraction (XRD) techniques, respectively. The infrared (IR)
transmission of the ceramics was investigated using FT-IR in the 3000-7000 cm^-1
wavenumber range. The results showed that the particle size of the AlN powder
was effective on the morphology, phase composition and optical properties of
the α-SiAlON ceramics.

Keywords

SiAlON, Optical properties, AlN Powder size, Microstructure, Phase Diversity

α-SiAlON Seramiklerin Optik Özelliklerinin İki Aşamalı Yüksek Enerjili Öğütme Yöntemi Kullanılarak Geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada, yarı saydam Dy/Y-α-SiAlON
seramikler kıvılcım plazma sinterleme (SPS) tekniği kullanılarak üretilmiştir.
Başlangıç toz karışımının iki aşamalı yüksek enerjili öğütme yöntemi ile
hazırlanmasının yarı saydam α-SiAlON seramiklerin faz bileşimi, mikro yapısı ve
optik özellikleri üzerine etkileri araştırılmıştır. Öğütme sürecinin ilk
aşamasında, AlN tozu karışıma eklenmeden önce tane boyutunun küçültülmesi ile
son üründe meydana gelebilecek olan AlN esaslı ikincil fazların (politipler)
miktarının azaltılması ve faz çeşitliliği nedeni ile transparanlıkta meydana
gelen kaybın giderilmesi amaçlanmıştır. Öğütme işlemi öncesi ve sonrası AlN
tozların parçacık boyutu dağılımı, lazer kırınım spektroskopisi ile karakterize
edilmiştir. Kıvılcım plazma sinterleme (SPS) tekniği ile üretilmiş α-SiAlON
seramiklerin mikro yapısı ve faz karakterizasyonu sırasıyla taramalı elektron
mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınım (XRD) teknikleri kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Seramiklerin kızıl ötesi (IR) geçirgenliği FT-IR
kullanılarak 3000–7000 cm^-1 dalga sayısı aralığında incelenmiştir.
Sonuçlar, AlN tozunun parçacık
boyutunun, α-SiAlON seramiklerin morfolojisi, faz bileşimi ve IR-geçirimi
üzerinde etkili olduğunu göstermiştir.

Keywords

SiAlON, Optik Özellik, AlN Boyutu, Mikroyapı, Faz Çeşitliliği

References

• [1] Karunatne B. S. B., Lumby R. J., Lewis M. H., ‘‘Rare-Earth-Doped α-Sialon Ceramics with Novel Optical Properties’’, J. Mater. Res., 11: 2790–2794, (1996)
• [2] Jones M.I., Hyuga H., Hirao K., “Optical and Mechanical Properties of α/β Composite Sialons”, J. Am. Ceram. Soc., 86 (3): 520-522, (2003)
• [3] Shan Y., Xu J., Guan C., Li J., “Preparation and Properties of Translucent Y-α-Sialon Ceramics by Two-Steps Hot Pressing”, Key Engineering Materials, 434: 661-663, (2010)
• [4] Jones M.I., Hyuga H., Hirao K., Yamauchi Y., “Highly Transparent Lu‐α‐SiAlON” J. Am. Ceram. Soc., 87 (4) (2004) 714-716.
• [5] Xiong Y., Fu Z., Wang H., Wang W., Zhang J., Zhang Q, Wohn S., Niihara L. K., “Translucent Mg‐α‐Sialon Ceramics Prepared by Spark Plasma Sintering”, J. Am. Ceram. Soc., 90(5): 1647-1649, (2007)
• [6] M. Mitomo, Y. Moriyoshi, T. Sakai, T. Ohsaka, and M. Kobayashi, ‘‘Translucent β-SiAlON Ceramics,’’ J. Mater. Sci. Lett., 1: 25–26, (1982)
• [7] Mandal H., ‘‘New Developments in a-Sialon Ceramics,’’ J. Eur. Ceram. Soc., 19:2349-2357, (1999)
• [8] Xinlu S., Peiling W., Weiwu C., Bo Z., Yibing C., Dongsheng Y., “Translucent α‐Sialon Ceramics by Hot Pressing”, J. Am. Ceram. Soc. 87(4):730-732, (2004)
• [9] Krell A., Blank P., Ma H., Hutzler T., Van B. M., Apetz, R., “Transparent sintered corundum with high hardness and strength”. J. Am.Ceram. Soc., 86(1):12–18 (2003)
• [10] Krell, A., Hutzler, T., Klimke, J., “Transmission physics and consequences for materials selection, manufacturing, and applications”, J. Eur. Ceram. Soc., 29:207–221, (2009)
• [11] Kurama S., Avcıoğlu S., Ayas E., “Optimization of the optical properties of α-SiAlON through a decrease in starting powder size”, J. Eur. Ceram. Soc., 35(12):3229-3235, (2015)
• [12] Camuscu N., Thompson D. P., Mandal H., “Effect of starting composition, type of rare earth sintering additive and amount of liquid phase on α ⇆ β sialon transformation” J. Eur. Ceram. Soc., 17(4):599-613, (1997)
• [13] Kurama S., Herrmann M., Mandal H., “The effect of processing conditions, amount of additives and composition on the microstructures and mechanical properties of α-SiAlON ceramics” J. Eur. Ceram. Soc. 22(1):109-119, (2002)
• [14] Gschneidner K. A., “Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths”, Optical Spectroscopy, Volume: 37, North Holland; 1st Edition (2007)
• [15] Krell A, Klimke J. “Effects of the homogeneity of particle coordination on solid-state sintering of transparent alumina”, J. Am.Ceram. Soc. 89(6): 1985-1992, (2006)
• [16] Avcıoğlu S., Kurama S., “Investigation of the influence of initial powder size on the optical properties of Dy-α-SiAlON ceramics fabricated by gas pressure sintering”, Ceramics International, 43(S1): S449-S454, (2017)