晶界相工程协同增强氧化铝陶瓷介电击穿强度与表面闪络电压：豆荚状异质结结构的创新策略

本综述系统阐述了通过晶界结晶相（IGCP）工程协同优化氧化铝陶瓷介电击穿强度（DBS）与表面闪络电压（FV）的创新策略。研究通过可控退火在晶界构建豆荚状异质结结构，使DBS和FV分别提升7.9%和25.6%。其机制涉及IGCP介导的电阻率提升（改善DBS）与特殊形貌抑制二次电子发射（增强FV），为高性能绝缘陶瓷设计提供了新范式。

　　

Highlight

通过晶界结晶相（Intergranular Crystalline Phase, IGCP）工程实现氧化铝陶瓷介电击穿强度（DBS）与表面闪络电压（FV）的协同提升，构建的豆荚状异质结结构使DBS达54.5 kV/mm、FV达35.8 kV，较未改性样品分别提高7.9%和25.6%。

Section snippets

Sample preparation

采用纯度近95%的多晶氧化铝陶瓷（代号A95），通过低压注射成型制备生坯，在1650°C马弗炉中烧结3小时（热曲线见图S1a）。烧结后样品在900°C、1000°C、1100°C和1200°C空气中退火5小时，分别标记为A95-900、A95-1000、A95-1100和A95-1200。部分A95-1100样品经加热后淬火处理，以研究非晶化逆转效应。

Material characterization

烧结、退火及淬火陶瓷的密度测量结果（表S1）显示变化可忽略，与我们既往研究一致。XPS结果及拟合数据（图S6）表明不同样品的O 1s和Al 2p谱线高度重合，证实空气退火未改变晶格缺陷构型。900°C退火后95%氧化铝陶瓷中仅保留Al₂O₃相（图2），更高温度下出现钙铝黄长石（gehlenite）和钙长石（anorthite）结晶相。Rietveld精修显示（表1），1100°C退火后黄长石含量达4.3%。SEM图像（图3a-d）揭示退火后晶界形成豆荚状异质结构，EDX映射（图3e）证实该结构富含Ca、Si、Al、O元素。

Mechanism of intergranular crystallization

CaO-Al₂O₃-SiO₂相图（图S11）显示本研究95%氧化铝陶瓷组成位于红点位置。SiO₂和CaO在氧化铝中溶解度极低（分别约200 ppm和50 ppm），烧结时过量组分以液相形式偏析于晶界。绿色三角区表示1650°C下平衡相包括刚玉、黑铝钙石（CaO?6Al₂O₃）及液相。退火过程中，非晶相逐步析出黄长石（Ca₂Al₂SiO₇）与钙长石（CaAl₂Si₂O₈），豆荚状形貌由晶界能最小化驱动形成。

Conclusion

本研究通过简易方法开发出含晶界结晶相的改性氧化铝陶瓷，证实豆荚状IGCP可显著增强介电击穿强度（DBS）与表面闪络电压（FV）。1100°C退火样品DBS和FV分别较未改性陶瓷提升7.9%和25.6%。DBS增强归因于表面电导率和介电损耗降低，而FV提升源于豆荚状形貌对二次电子发射的抑制效应。该策略为高性能绝缘陶瓷设计提供了新思路。