摘要： 以CaO和TiO₂为原料，分别外加质量分数0%、1%、2%、3%、4%的Y₂O₃，经1300℃、1400℃保温3h烧结，制备CaTiO₃陶瓷。探究Y₂O₃掺杂量及烧结温度对陶瓷物相、晶体结构、烧结行为及微观结构的影响。结果表明：随Y₂O₃掺杂量增加，CaTiO₃晶胞体积先增后减；Y³⁺置换Ti⁴⁺使晶胞体积增大，置换Ca²⁺则使其减小。随Y₂O₃掺杂量或烧结温度提升，陶瓷线收缩率与体积密度均增大；显微结构更致密，晶粒尺寸先增后减，形貌由不规则台阶状转为规则形状。

　　1. 实验过程、数据与术语定义

　　1.1 原料与配比

　　主要原料：CaO粉、TiO₂粉、Y₂O₃粉（分析纯，购自上海）。

　　基础配方：按化学计量式CaTiO₃配料。

　　掺杂方案：在基础配方中，分别外加质量分数为0%、1%、2%、3%、4%的Y₂O₃，共5组配比。

　　1.2 制备工艺

　　球磨：将各组原料置于QM-3SP4型行星式球磨机中，以ZrO₂为磨球，球料质量比2:1，主轴转速220 r·min⁻¹，无水乙醇为介质，球磨20 h。

　　成型：浆料烘干后，在玛瑙研钵中加无水乙醇研磨，于压片机上以5 MPa压力压制成尺寸为20 mm × (2~3) mm的圆柱形试样。

　　烧结：干燥后，分别在1300℃、1400℃保温3 h烧结，随炉冷却。

　　1.3 关键术语定义

　　线收缩率：依据QB/T 1548—1992标准测量。

　　体积密度：采用阿基米德法测定。

　　物相分析：使用PANalytical X’pert-Powder型X射线衍射仪，Cu靶Kα射线，管电压40 kV，管电流40 mA，步长0.02°，扫描范围10°~90°。

　　微观结构观察：人工打断试样，采用Zeiss LEO 1530型场发射扫描电镜观察断口形貌，并辅以能谱仪进行成分分析。

　　2. 结构分析与典型案例

　　2.1 晶体结构演变

　　物相一致性：所有试样的主晶相均为正交晶型CaTiO₃（PDF卡片01-082-0228、00-022-0153），未检测到Y₂O₃相关衍射峰，表明Y³⁺已固溶进入CaTiO₃晶格。

　　晶胞体积变化：

　　1300℃烧结时，随Y₂O₃掺杂量增加，CaTiO₃晶胞体积先增后减。掺杂量为2%时，晶胞体积最大，为0.22639 nm³。

　　1400℃烧结时，掺杂量为1%时晶胞体积最大，为0.22403 nm³。

　　典型案例：

　　场景一（低掺杂量）：当Y₂O₃掺杂量≤2%（1300℃）或≤1%（1400℃）时，Y³⁺优先置换配位数为6、半径较小的Ti⁴⁺（离子半径0.068 nm），导致晶胞体积增大。

　　场景二（高掺杂量）：当Y₂O₃掺杂量超过上述阈值，Y³⁺开始置换配位数为12、半径较大的Ca²⁺（离子半径0.100 nm），使晶胞体积减小。同时，为维持电价平衡，缺陷类型由氧空位（Vₒ）转变为阳离子空位。

　　2.2 烧结性能提升案例

　　线收缩率：随Y₂O₃掺杂量从0%增至4%，1300℃烧结试样的线收缩率由12.3%提升至18.7%；1400℃烧结试样由14.1%提升至20.2%。

　　体积密度：

　　1300℃烧结：掺杂0% Y₂O₃时，体积密度为2.96 g·cm⁻³；掺杂4%时，升至3.47 g·cm⁻³。

　　1400℃烧结：掺杂0% Y₂O₃时，体积密度为3.08 g·cm⁻³；掺杂4%时，升至3.64 g·cm⁻³。

　　c. 机制说明：Y³⁺固溶引入的缺陷增强了晶格畸变，促进固相传质。

　　烧结温度从1300℃升至1400℃，缺陷浓度增大，加速了CaTiO₃合成与致密化。

　　3. 结论与统计数据

　　3.1 晶体结构数据

　　在1300℃、Y₂O₃掺杂量0%~4%范围内，CaTiO₃晶胞体积呈现先增后降趋势。峰值出现在掺杂量2%时，体积为0.22639 nm³，相比未掺杂试样（0.22498 nm³）增大约0.63%。

　　3.2 烧结性能统计

　　线收缩率：在1400℃、掺杂量4%条件下，达到最大收缩率20.2%，较未掺杂试样（14.1%）提升6.1个百分点。

　　体积密度：在1400℃、掺杂量4%条件下，体积密度达3.64 g·cm⁻³，较未掺杂试样（3.08 g·cm⁻³）提升18.2%。

　　3.3 微观结构证据

　　晶粒尺寸变化：

　　1300℃烧结：未掺杂时，平均晶粒尺寸为1.3 μm；掺杂2%时，增至9.4 μm；掺杂4%时，减小至2.2 μm。

　　1400℃烧结：掺杂2%时，平均晶粒尺寸为18.4 μm，呈台阶状生长，台阶宽度约100 nm。

　　形貌与致密性：

　　案例一：掺杂2% Y₂O₃（1300℃烧结），晶粒出现台阶状形貌，但晶粒间存在明显间隙，致密性不足。

　　案例二：掺杂4% Y₂O₃（1400℃烧结），台阶状形貌消失，晶粒紧密连接，断口未见明显晶界分离，EDS证实Y元素均匀分布于晶粒内部，显微结构致密。