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

Öz

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.

Anahtar Kelimeler

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

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

Öz

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.

Anahtar Kelimeler

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

Kaynakça

1. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [7] Mandal H., ‘‘New Developments in a-Sialon Ceramics,’’ J. Eur. Ceram. Soc., 19:2349-2357, (1999)
8. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [14] Gschneidner K. A., “Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths”, Optical Spectroscopy, Volume: 37, North Holland; 1st Edition (2007)
15. [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. [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)