一種具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷及其制備方法技術

本發明專利技術公開的具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷，其陶瓷晶粒的核層為Y2O3相、殼層結構為(Y,La,M)2O3相，其中M為Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg中的一種或幾種，制備過程如下：首先將釔的化合物、鑭的化合物以及M的化合物同時溶解在去離子水中，然后加入Y2O3粉體，球磨共混后進行噴霧干燥，隨后將干燥好的粉體進行預壓成型，并在900～1300℃煅燒，冷卻后再經冷等靜壓，在1550～1750℃燒結后即可獲得本發明專利技術的氧化釔基透明陶瓷。本發明專利技術所采用的原材料來源廣泛易得、制備工藝簡單可控，利用燒結性能優異的(Y,La,M)2O3薄層對Y2O3粉體進行包覆，可以在相對較少的助劑添加下獲得優良的直線透過率。

Yttrium oxide base transparent ceramic with core shell structure and preparation method thereof

Yttrium oxide transparent ceramics with core-shell structure disclosed by the invention, the core layer is Y2O3 phase, the ceramic grain shell structure for (Y, La, M) 2O3, where M is one or more of Zr, Ti, Mn, Al, Ca, Zn and Mg in the preparation process. Are as follows: firstly, the compound of yttrium lanthanum compounds and M compounds and dissolved in deionized water, adding Y2O3 powder and milling, blending after spray drying, pre pressing powder will then be dried, and at 900 to 1300 DEG C calcination, after cooling by cold isostatic pressing, in oxidation Y-based 1550 to 1750 DEG C sintering can be obtained after the invention of transparent ceramics. The invention adopts a wide source of raw materials, easy preparation process is simple and controllable, the sintering performance (Y, La, M) 2O3 thin layer of Y2O3 powder coated, you can add relatively few additives have good linear transmittance.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種氧化釔基透明陶瓷及其制備方法，尤其是具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷及其制備方法，屬于材料科學

技術介紹
氧化釔是立方晶系晶體，具有光學各向同性的性質，所以其具有優良的透光性能，并且具有熔點高、化學和光化學穩定性好、光學透明性范圍較寬(0.23～8.0μm)等優點；其聲子能量低，一定程度上可以抑制無輻射躍遷，提高輻射躍遷的幾率，從而提高發光量子效率；易實現稀土離子的摻雜進行改性；熱導率高，是作為固體激光介質材料的重要基質材料。氧化釔透明陶瓷在寬廣的頻率范圍內，特別是在紅外區域，具有80%以上的理論透過率，因此這種材料常被用作各種檢測設備和能源窗口。由于其耐火度高，還可作高溫爐的觀察窗以及透鏡。此外，氧化釔透明陶瓷可用于微波基片、耐磨表面材料、紅外發生器管、天線罩等，在半導體行業具有潛在應用價值，有些已獲得實際應用。但是，Y2O3的熔融溫度高達2430℃，在2280℃時還會發生立方相向六方相的多晶相變，因此采用傳統提拉法很難生長Y2O3單晶。采用傳統陶瓷工藝，可以在遠低于Y2O3熔點的溫度制備透明陶瓷，節省了生產成本，提高了生產效率，更重要的是陶瓷制備工藝容易實現激活離子的高摻雜，可以極大的提高激光輸出功率，從而使高熔點氧化物用作光學介質和激光介質成為可能。氧化釔透明陶瓷的燒結溫度一般在2000℃以上，采用真空燒結和納米粉體制備技術后，燒結溫度降到1700℃，比它的熔融溫度低700℃。對于Y2O3基透明陶瓷的研究中發現，La3+和Zr4+的摻雜能有效改善Y2O3基透明陶瓷的燒結性能，并且也具有良好的激光光譜性能。但是陶瓷是多晶的，其晶界、氣孔和晶格的不完整性等都會增加光的散射損失及材料的不透明性。所以燒結助劑的摻雜濃度增高會造成透明性的降低，特別是不同價態離子的摻雜會造成非常大的晶格畸變，都對其透明性提出了非常高的挑戰。因此，在保持Y2O3基透明陶瓷良好的化學和光化學性能的前提下，降低燒結助劑的摻雜濃度，同時保持良好的燒結性能，并提高氧化釔基透明陶瓷的直線透過率，是氧化釔透明陶瓷更為廣泛應用的關鍵。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷及其制備方法，通過核殼結構的實現使氧化釔基陶瓷具有較低的燒結溫度、較高的致密度，以及較小的晶格畸變，從而獲得優良的透光性能。本專利技術的具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷，其特征在于陶瓷晶粒的核層為Y2O3相、殼層為(Y1-x-yLaxMy)2O3相，其中0.01≤x≤0.1，0≤y≤0.1，M為Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg中的一種或幾種，殼層物質與核層物質的摩爾比為0.01～0.2:1。本專利技術的具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷的制備方法，包括以下步驟：(1)按殼層組成物中各元素的比例，將釔的化合物、鑭的化合物以及M元素的化合物同時溶解在去離子水中，使混合物在去離子水中的濃度為0.01～1mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液；(2)按核層物質的量稱取Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述步驟(1)制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合4～24小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水；(3)將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在10～40MPa的壓力下成型，然后升溫到900～1300℃保溫4～8小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在150～300MPa下進行等靜壓；(4)將等靜壓后的產物放在真空爐中，在1550～1750℃保溫4～24小時，得到具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷。本專利技術中，所述的釔的化合物為硝酸釔、氯化釔和醋酸釔中的一種或幾種；所述的鑭的化合物為硝酸鑭、氯化鑭和醋酸鑭中的一種或幾種；所述的M元素的化合物為硝酸鋯、醋酸鋯、鈦酸四丁酯、硝酸鈦、硝酸錳、醋酸錳、硝酸鋁、醋酸鋁、硝酸鈣、醋酸鈣、硝酸鋅、醋酸鋅、硝酸鎂和醋酸鎂中的一種或幾種；本專利技術中，所述的Y2O3粉體的粒徑在0.05～5μm之間。本專利技術具有以下有益效果：通過將釔、鑭以及M元素的化合物溶解在去離子水中，然后和Y2O3粉體進行球磨混合，可以獲得釔鑭M等元素以原子級水平均勻包覆在Y2O3粉體表面的核殼結構；隨后進行噴霧干燥，除掉去離子水，從而使得這種核殼結構從溶液狀態轉變成固態；將上述粉體放入模具中并在10～40MPa的壓力下成型，可以獲得陶瓷素坯，但因成型壓力較低，素坯結構比較疏松，隨后在900～1300℃的保溫，可以將釔鑭M等元素的化合物進行分解揮發，只留下氧化物并生成了陶瓷的主晶相；接下來的150～300MPa的等靜壓可以讓陶瓷素坯充分致密，隨后在1550～1750℃的真空爐中燒結，即可獲得本專利技術的透明陶瓷。本專利技術以粒徑0.05～5μm的Y2O3粉體為核心、通過將La、Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg元素（M表示）固溶入氧化釔晶體結構中形成殼層，從而獲得以Y2O3為核、(Y,La,M)2O3為殼的核殼結構；由于殼層的(Y,La,M)2O3具有較低的燒結溫度和較高的燒結活性，所以本專利技術的氧化釔基陶瓷可以在較低溫度燒結下獲得較高的致密度；同時，由于殼層物質與核層物質的摩爾比為0.01～0.2:1，核層的Y2O3相所占比例大，而引起晶格畸變的(Y,La,M)2O3相的比例比較少，因而在燒結后可以獲得優良的光學性能。本專利技術所采用的原材料來源廣泛易得、制備工藝簡單可控。具體實施方式下面結合實例對本專利技術作進一步描述。實施例1：Y2O3-0.01(Y0.87La0.1Zr0.03)2O3（x=0.1，y=0.03，M=Zr）稱取0.0087mol的硝酸釔、0.001mol的硝酸鑭以及0.0003mol的硝酸鋯同時溶解在去離子水中，使混合溶液在去離子水中的濃度為1mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液。稱取0.5mol的粒徑為5μm的Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合24小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水。將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在10MPa的壓力下成型，然后升溫到900℃保溫8小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在300MPa下進行等靜壓；將等靜壓后的產物放在真空爐中，在1750℃保溫4小時，得到具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷。實施例2：Y2O3-0.2(Y0.9La0.05Zr0.02Ti0.01Al0.01Zn0.01)2O3（x=0.05，y=0.05，M=Zr,Ti,Al,Zn）稱取0.18mol的硝酸釔、0.01mol的硝酸鑭、0.004mol的硝酸鋯、0.002mol的硝酸鈦、0.002mol的硝酸鋁以及0.002mol的硝酸鋅同時溶解在去離子水中，使混合溶液在去離子水中的濃度為0.01mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液。稱取0.5mol的粒徑為0.05μm的Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合4小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水。將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在40MPa的壓力下成型，然后升溫到1300℃保溫4小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在150MPa下進行等靜壓；將等靜壓后的產物放在真空爐中，在1550℃保溫24小時，得到具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷，其特征在于陶瓷晶粒的核層為Y2O3相、殼層為(Y1?x?yLaxMy)2O3相，其中0.01?≤?x?≤?0.1，0?≤?y?≤?0.1，M為Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg中的一種或幾種，殼層物質與核層物質的摩爾比為0.01～0.2:1。

【技術特征摘要】
1.一種具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷，其特征在于陶瓷晶粒的核層為Y2O3相、殼層為(Y1-x-yLaxMy)2O3相，其中0.01≤x≤0.1，0≤y≤0.1，M為Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg中的一種或幾種，殼層物質與核層物質的摩爾比為0.01～0.2:1。2.制備權利要求1所述的具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷的方法，其特征在于包括下述步驟：(1)按殼層組成物中各元素的比例，將釔的化合物、鑭的化合物以及M元素的化合物同時溶解在去離子水中，使混合物在去離子水中的濃度為0.01～1mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液；(2)按核層物質的量稱取Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述步驟(1)制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合4～24小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水；(3)將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在10～40MPa的壓力下成型，然后升溫到900～...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王煥平，雷若姍，陳雅倩，徐時清，楊清華，鄧德剛，
申請(專利權)人：中國計量大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33