專利名稱：摻Ce³⁺的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其制備方法，屬特種稀土 透明閃爍陶瓷材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景某些物質(zhì)在射線(X-射線，Y-射線)或高能粒子的作用下會(huì)發(fā)出紫外或可見光， 這種現(xiàn)象稱作閃爍效應(yīng)。具有閃爍效應(yīng)的晶體稱為閃爍晶體。無機(jī)閃爍晶體與傳統(tǒng)閃 爍材料相比具有密度高，體積小，物理性質(zhì)和閃爍性能優(yōu)良等特點(diǎn)，已經(jīng)成為高能茅立 子探測的首選材料。將閃爍晶體與光電倍增管或光電二極管耦合制成的晶體閃爍計(jì)數(shù) 器是高能物理，核物理和核醫(yī)學(xué)中的一個(gè)重要探測儀器。利用熒光物質(zhì)的閃爍現(xiàn)象來探測核輻射開始于上個(gè)世紀(jì)初，由于光電倍增管的出 現(xiàn)和電子學(xué)儀器的發(fā)展，到40年代末才得到迅速的發(fā)展。1948年，Hoftadter發(fā)王見 NaI:Tl具有優(yōu)良的閃爍特性，并很快被廣泛應(yīng)用于X-射線和Y-射線的探測技術(shù)中。隨著核探測技術(shù)在醫(yī)學(xué)，物理，化學(xué)，地質(zhì)勘探等科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中的發(fā)展，一 系列無機(jī)閃爍晶體，如Bi4GeA"BG0)' CdW0"CW0), CsI:Tl, Csl等相繼問世，并在 這些領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。閃爍材料的性能主要包括密度，閃爍性能，抗輻照性能等。閃爍性能分為穩(wěn)定態(tài) 和動(dòng)態(tài)兩類。穩(wěn)定態(tài)性能主要指在常溫下測定的透射，發(fā)射和激發(fā)光譜，是應(yīng)用上最 為關(guān)心的性能。與時(shí)間相關(guān)的性能主要有閃爍衰減時(shí)間和光產(chǎn)額等。通常要求閃爍晶 體對入射輻照具有大的吸收系數(shù)，例如對斷層掃描技術(shù)來說，采用吸收系數(shù)大的材料 制造探測器，不僅可使探測器尺寸緊湊，而且能改善其空間分辨率?？臻g分辨率對核 物理和高能物理實(shí)驗(yàn)用的探測器特別重要。同時(shí)希望閃爍晶體有短的輻射長度，輻射 長度與吸收系數(shù)呈反比，吸收系數(shù)越大，輻射長度越短。同時(shí)有效原子序數(shù)越高，密 度越大，晶體輻射長度越短。由于電磁量能器用閃爍晶體的長度一般為20X。 (X。為輻 射長度)，所以使用輻射長度小的晶體有利于縮小探測器的體積；另一方面，輻射長 度越長，所需材料越長，難于保證材料的均勻性。為了減少探測器的體積和造價(jià)，人 們希望探測器的體積越緊湊越好，因此要求閃爍晶體對射線的阻止能力要盡可能地 強(qiáng)，具體表現(xiàn)為晶體的吸收系數(shù)大，輻射長度短等。根據(jù)發(fā)光原理，無機(jī)閃爍晶體可粗略地分為本征晶體和摻雜的非本征晶體。許多 純的晶體在常溫下并不是十分有效的閃爍體，為了得到有使用價(jià)值的閃爍體，通常采 用往純晶體中摻入少量雜質(zhì)(如Tl， Ce， Eu)等的方法來使晶體發(fā)光。這些摻入的 雜質(zhì)稱為激活劑。目前摻Ce3+的閃爍材料主要是含稀土氧化物的化合物，如YA103(YAP)， Y3Al5(L(YAG)或Lu3Als(X2(LuAG)等，Ce3+在一些倍半氧化物Re203(Re=Y， Lu， La， Gd等) 中的發(fā)光出現(xiàn)猝滅，即沒有發(fā)光。Ce3+在所有上述化合物中都是取代稀土離子 Re3+(Re=Y， Lu， La， Gd等)的位置。但由于稀土離子Re3+( Re=Y， Lu, Gd等)的離子半 徑(Y3+離子半徑89.6pm; Lu"離子半徑86. lpm; GcT離子半徑93. 8pm)與Ce"的離子 半徑101. Opm相差較大，Ce3+很難摻入上述化合物中，造成該類閃爍材料的吸收系數(shù)大 幅下降，影響其應(yīng)用。和單晶相比，透明陶瓷具有如下優(yōu)點(diǎn)制備工藝簡單、成本ffi^、 能夠制備大尺寸的產(chǎn)品且形狀自由度大，目前已經(jīng)開始用透明閃爍陶瓷材料來取代部 分閃爍晶體材料。但在摻Ce"的倍半氧化物Re203(Re=Y, Lu, Gd， La等)中由于發(fā)光出現(xiàn)L 猝滅，無法成為閃爍材料，或在含稀土氧化物的化合物，如YAG或LuAG等透明閃爍 陶瓷中，存在由于Ce3+離子半徑與Re3+離子半徑相差較大的問題，C,離子難于摻入上 述化合物中，影響閃爍性能。氧化鑭釔(Y2-2xLa2x03)透明陶瓷材料是￥203與1^203的單相固溶體，其中La》的離 子半徑為103. 2pm與Ce3+的離子半徑101. Opm很接近，因此Ce3+能夠很容易摻入氧化 鑭釔(Y2-2xLa2x03)透明陶瓷材料中(Ce"取代L^的格位)，并可以實(shí)現(xiàn)高摻雜，有利 于提高Ce: 丫2-2上&03閃爍透明陶瓷的吸收系數(shù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Ce3+在氧化鑭釔(Y2-2lLa2x03) 透明陶瓷中可探測到Ce"發(fā)光，使其成為一種高效的閃爍透明陶瓷材料。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服"3+在倍半氧化物Re203 (Re=Y， Lu, La, Gd等)&3+發(fā)光猝滅 現(xiàn)象，以及在含稀土氧化物的化合物，如YAP, YAG或LuAG等中無法實(shí)現(xiàn)高摻雜的缺 點(diǎn)。特提出一種摻Ce"的氧化鑭釔Y2-2"2A的透明閃爍陶瓷材料的制備方法。本發(fā)明是一種摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料的制備方法，其特征在于具有 以下的工藝過程和步驟a. 采用商業(yè)高純的99. 99%的YA、 99. 95%的LaA和99. 99%的Ce02為原料，或采用 納米粉體為原料，三者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)2-2x-2yLa2xCe2y03，式中的x=0. 05_0. 20， y=0.005-0. 05;b. 將上述配合料加入蒸餾水，放置于球磨機(jī)內(nèi)，進(jìn)行混合研磨，球磨時(shí)間為24小 時(shí)；隨后出料，在150'C溫度下烘干；c. 然后放置于煅燒爐中于1000 130(TC溫度下預(yù)燒5小時(shí)；再放入球磨機(jī)中球磨d. 經(jīng)150'C溫度烘干后，加入5wty。的PVA聚乙烯醇粘結(jié)劑進(jìn)行造粒；然后將粉粒在 200MPa的冷等靜壓下壓制成塊片，即為壓坯；e. 然后在800'C溫度下于空氣中燒掉PVA粘結(jié)劑；最后將所述的壓制塊片即壓坯放 入鉬絲爐中，在還原氣氛下于1350 1800。C進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為3-30小時(shí)，最終 獲得致密透明的Ce:Y2-2,La2,03aP Y2-2x-2yLa2xCe2y03)透明閃爍陶瓷材料。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。實(shí)施例一本實(shí)施例的具體工藝過程和步驟如下1. 采用市售高純的99. 99%的Y203、 99. 95%的LaA和99. 99%的Ce02為原料，三 者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)^-2,Laj:e2y03為依據(jù)，式中的xi. 1， y=0.005;各成分 的摩爾含量為Ce02 0. Olmol， La203 0. lOmol， Y203 0. 895mol。2. 將上述配合料加入蒸餾水，放置于球磨機(jī)內(nèi)，進(jìn)行混合研磨，球磨時(shí)間為24 小時(shí)，；出料后，在150'C溫度下烘干；3. 然后放置于煅燒爐中于IIO(TC溫度下預(yù)燒5小時(shí)，再放入球磨機(jī)中球磨24 小時(shí)；4. 經(jīng)150'C溫度烘干后，加入5wt。/。的PVA粘結(jié)劑進(jìn)行造粒;然后將粉粒在200MPa 的冷等靜壓下壓制成塊片；5. 然后在80(TC溫度下于空氣中燒掉PVA粘結(jié)劑；最后放入鉬絲爐中在還原氣 氛下于150(TC進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)，最終獲得致密透明的Ce:Y2—2丄a2A(即 Y2奮2yLa2,Ce2A)閃爍陶瓷。實(shí)施例二本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例1完全相同，所不同的是Y2-2^L&Ce2y03式 中的x=0. 1 ， y=0. 01;各成分的摩爾含量為Ce02 0. 02mol ， La203 0. lmol ， Y203 0 . 89mol; 燒結(jié)溫度為1500°C;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的Ce:Y2-2xLa2x03^P Y2—2一La2xCe2A)閃爍陶瓷。 實(shí)施例三本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例1完全相同，所不同的是Y^-2yLa2,Ce2y03式 中的x=0. 1， y=0. 02;各成分的摩爾含量為Ce02 0. 04mol， La203 0. lmol， Y203 0 . 88mol; 燒煉結(jié)溫度為1500°C;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的Ce:Y2-2xLa2x03(W Y2會(huì)2yLa2,Ce2A)閃爍陶瓷。
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例1完全相同，所不同的是YwLa^Ce2y03式 中的x=0. 1， y=0. 05;各成分的摩爾含量為Ce02 0. lOmol， La203 0. lmol， Y203 0.85mol; 燒結(jié)溫度為1500°C;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的Ce:Y^La2x03(gp Y2—2x-2,LahCe2A)激光陶瓷。實(shí)施例五本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例1完全相同，所不同的是Y2-2x-2yLa^e2A式 中的x=0. 15， y=0. 01;各成分的摩爾含量為Ce02 0. 02mol ， La203 0. 15mol ， Y203 0. 84mol; 燒結(jié)溫度為1400°C;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的Ce:Y2-2xLa2x03UP Y2會(huì)2yLa2xCe2A)激光陶瓷。 實(shí)施例六本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例l完全相同，所不同的是Y2—2x—2山&(:%03式 中的x=0. 05， y=0. 01;各成分的摩爾含量為Ce02 0. 02mol ， La203 0. 05mol ， Y203 0 . 94mol; 燒結(jié)溫度為1600°C;燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)；最終獲得致密透明的Ce:Y2-2xLa2x03UP Y2-MyLa2,Ce2A)閃爍陶瓷。由上述實(shí)例制備的Ce:Y2-2xLa2x03WP Y2—2l[-2yLa2xCe2y03)閃爍陶瓷均勻透明，實(shí)現(xiàn)了 C離 子在氧化鑭釔￥2-2上&03中的均勻以及高摻雜。對Y2-2^La^Ce2A透明多晶體作光譜性 能檢測，其吸收光譜顯示出Ce3+的特征吸收峰，同時(shí)測到了 C,在280 650nm寬的熒 光發(fā)射帶，位于300nm, 416nm, 470nm和566nm處有尖銳的熒光發(fā)射峰。
權(quán)利要求
1.一種摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟a.采用商業(yè)高純的99.99％的Y2O3、99.95％的La2O3和99.99％的CeO2為原料或采用納米粉體為原料，三者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)2-2x-2yLa2xCe2yO3，式中的x＝0.01-0.20，y＝0.005-0.05；b.將上述配合料加入蒸餾水，放置于球磨機(jī)內(nèi)，進(jìn)行混合研磨，球磨時(shí)間為24小時(shí)；隨后出料，在150℃溫度下烘干；c.然后放置于煅燒爐中于1000～1300℃溫度下預(yù)燒5小時(shí)；再放入球磨機(jī)中球磨24小時(shí)；d.經(jīng)150℃溫度烘干后，加入5wt％的PVA聚乙烯醇粘結(jié)劑進(jìn)行造粒；然后將粉粒在200MPa的冷等靜壓下壓制成塊片，即為壓坯；e.然后在800℃溫度下于空氣中燒掉PVA粘結(jié)劑；最后將所述的壓制塊片即壓坯放入鉬絲爐中，在還原氣氛下于1350～1800℃進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為3-30小時(shí)，最終獲得致密透明的Ce:Y2-2xLa2xO3(即Y2-2x-2yLa2xCe2yO3)透明閃爍陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻Ce³⁺的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其制備方法，屬特種稀土透明閃爍陶瓷材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法采用高純度的Y₂O₃、La₂O₃和CeO₂為原料(也可采用納米粉體為原料)，三者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)_2-2x-2yLa_2xCe_2yO₃，式中的x＝0.05-0.20，y＝0.005-0.05；將上述配合料加入適量蒸餾水，放入球磨機(jī)內(nèi)研磨24小時(shí)；隨后干燥，再放置于煅燒爐中于1000～1300℃溫度下預(yù)燒5小時(shí)，再放入球磨機(jī)中球磨24小時(shí)，然后加入5wt％的PVA聚乙烯醇粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，將粉粒在200MPa的冷等靜壓下壓制成壓坯，然后在還原氣氛下于1350～1800℃下燒結(jié)3-30小時(shí)，最終獲得摻Ce³⁺的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料。
文檔編號(hào)C04B35/50GK101148356SQ200710045910
公開日2008年3月26日 申請日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者軍 徐, 楊秋紅 申請人:上海大學(xué)