Transparente Keramiken haben einzigartige Eigenschaften, die Anwendungen ermöglichen, die keine anderen Materialien können, und Magnesiumaluminat-Spinell ist an der Spitze ihrer Entwicklung. Die Beziehung zwischen Verarbeitungseigenschaften und transparenter Spinellherstellung, insbesondere die Grenzflächen, die häufig die Verdichtung bestimmen und die endgültigen Eigenschaften beeinflussen, sind jedoch noch wenig bekannt. In diesem Zusammen hang wurden die Grenzflächen von transparentem Spinell im Detail untersucht; Korngrenzen und Oberflächen von transparenten Spinell Proben die unter Verwendung von Pulvern mit unterschiedlichen Stöchiometrien, Gehalten an Verunreinigungen, LiF-Additiven und unter Verwendung einer Vielzahl von Verdichtungsverfahren hergestellt wurden, wurden unter Verwendung von Lichtmikroskopie, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, verschiedenen chemischen Spektroskopieverfahren, Atomkraftmikroskopie untersucht und elektrochemische Impedanzspektroskopie untersucht. Die Grenzflächeneigenschaften standen im Zusammenhang mit den Ausgangspulvern, der Verarbeitung sowie den mechanischen und optoelektronischen Eigenschaften.

Unterschiede in der Stöchiometrie und Verunreinigung sowie im LiF-Gehalt veränderten die freie Energie, die Diffusionseigenschaften, die Gitterparameter sowie die mechanischen, optischen und elektronischen Eigenschaften von Oberflächen und Korngrenzen. Die Grenzflächenenergien von astöchiometrischen Zusammensetzungen waren der Verdichtung förderlicher, aber ein verbesserter Grenzflächentransport in Al2O3-reichen Zusammensetzungen verursachte eine Vergröberung, die eine Verdichtung durch druckloses Sintern ausschloss, während sie durch druckunterstütztes Sintern gefördert wurde. Verunreinigungen und Kohlenstoffverunreinigungen stammen vom Wärmebehandlung waren die Hauptquellen für optische Streuung und Absorption. Es wurde gefunden, dass die dielektrischen Eigenschaften eine komplexe Funktion von Mikrostruktur, Stöchiometrie, Verunreinigungen und Additive sind, und eine höhere Leitfähigkeit im Vergleich zu Einkristallen wurde auf die Leitfähigkeit entlang von Grenzen mit hohem Magnesiumgehalt zurückgeführt. Darüber hinaus führten Stöchiometrie-, Verunreinigungs- und Additivgehaltsgradienten im kompakten Maßstab zu assoziierten Gefüge- und Eigenschaftsunterschieden.

Das LiF-Sinteradditiv hatte eine tiefgreifende, komplexe und vielschichtige Wirkung. Fluor reagierte mit Verunreinigungen, um flüchtige Spezies zu bilden, die durch vorsichtige Behandlung entfernt wurden, um Transparenz zu verleihen, und es reagierte mit Spinell, um Magnesiumfluorid und -oxid zu bilden, wobei die Stöchiometrie verändert wurde. Darüber hinaus bewriken in das Gitter eingebaute Li und veränderte Grenzflächeneigenschaften; (i) eine Verschiebung hin zu einer Al2O3-reichen Zusammensetzung, (ii) die Entfernung von Verunreinigungen, (iii) die Verstärkung von Korngrenzen- und Kompaktstöchiometrie- und Mikrostrukturgradienten, (iv) ein verstärkter Grenzflächentransport und ein verbessertes Kornwachstum, (v) verringerte Verdichtungstemperatur und verstärkte Verdichtung durch druckunterstütztes Sintern, (vi) Vergröberung und gehemmte Verdichtung ohne Druck, (vii) Korngrenzenversprödung, (viii) Korngrenzenoptische Streuung, (ix) Opazität bei der Verarbeitung von gefangenem LiF und seinen Nebenprodukten, und (x) geringere Leitfähigkeit aufgrund von Leitfähigkeits-inhibierenden Punktdefekten und verringerter Korngrenzenfläche und Verunreinigungen.

Die Arbeit zeigte, wie Grenzflächen durch Rohstoff und Verarbeitungsparameter beeinflusst wurden und wie sich dies wiederum auf die Mikrostruktur, das Bruchverhalten und die optoelektronischen Eigenschaften auswirkte. Die Ergebnisse geben Aufschluss über viele Feinheiten der transparenten Spinellherstellung und geben Hinweise, wie die Verarbeitung und die Mikrostruktur angepasst werden können, um verbesserte Bulkeigenschaften zu erzielen.