專利名稱：：C摻雜α-Al₂O₃透明陶瓷熱釋光和光釋光材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種C摻雜0t-Al2O3透明陶瓷熱釋光和光釋光材料及其制備方法，屬特種陶瓷材料制造工藝
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：材料的熱釋光(Thermoluminescence,簡稱TL)是指材料在吸收輻射能之后的熱致發(fā)光。20世紀(jì)50年代，美國威斯康星大學(xué)的Daniels首次將材料的熱釋光特性用于輻射劑量的測量。最初使用的氟化鋰熱釋光材料具有很高的靈敏度，但是其熱釋光性能不穩(wěn)定。后來，研究人員相繼開發(fā)了具有更優(yōu)異熱釋光性能的LiF:Mg,Ti和LiF:Mg,Cu,P，目前氟化鋰系列材料仍是熱釋光劑量學(xué)上應(yīng)用最廣泛的材料。隨著科研和生活的需要，對熱釋光劑量學(xué)材料的要求(如較寬的線性劑量響應(yīng)范圍，高靈敏度，重復(fù)使用性好等)逐漸提高，研究人員又開發(fā)了CaS04:Mn,CaF2:Mn,Li2B407:Cu，MgSi04等新型熱釋光材料。光釋光(OpticallyStimulatedLuminescence,簡稱OSL)是指材料吸收了輻射能之后的光致發(fā)光，前蘇聯(lián)的Romanovsky最早將材料的光釋光特性用于輻射劑量的測量。與熱釋光相比，光釋光劑量計使用過程中不用加熱，可以有效避免發(fā)光中心的熱淬滅，具有靈敏度高，使用相對簡單的優(yōu)點(diǎn)。然而，光釋光劑量學(xué)長期沒有得到重視和發(fā)展，主要原因是缺少對輻射敏感，光釋光效率高，有效原子數(shù)較小，光衰退性能好的發(fā)光材料。Daniels很早就發(fā)現(xiàn)A1203晶體具有優(yōu)良的熱釋光性能，但是純的A1203晶體對y射線的熱釋光靈敏度很低。為了改善A1203晶體的熱釋光性能，研究人員相繼研制了一系列摻雜的Al203晶體熱釋光材料，包括Al203:Mg，Ti,Y;A1203:Cr和A1203:Si,Ti等晶體，但是這些材料在熱釋光劑量學(xué)上都或多或少地存在不足，不能滿足科研和商業(yè)的需要。20世紀(jì)90年代，Akselrod等人采用提拉法生長了一種優(yōu)良的新型Al203摻雜熱釋光材料oc-Al203:C晶體。一系列的研究表明，a-Al203:C晶體具有靈敏度高(是LiF:Mg,Ti的4060倍)，熱釋光峰單一(463K)，背底和劑量閾值低，線性劑量響應(yīng)范圍寬(10—Ll0Gy),有效原子數(shù)小(10.2)，熱釋光特性衰減慢(<5%/年)，低劑量下重復(fù)使用性能好，對輻射敏感，光釋光效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此a-Al203:C晶體是極具應(yīng)用潛質(zhì)的熱釋光和光釋光材料。目前，美國Landauer公司研制生產(chǎn)的a-Al203:C熱釋光和光釋光劑量計已經(jīng)在歐美廣泛使用，國內(nèi)關(guān)于a-Al203:C晶體生長以及a-Al203:C劑量計的研制還剛剛開始。但a-Al203:C晶體很難采用提拉法來生長，因為通常提拉法系統(tǒng)是弱氧化環(huán)境，熔體中很難摻入C;即使通入還原氣體，由于熔體上方是開放空間，也易導(dǎo)致C揮發(fā)，所以O(shè)C-Al203:C晶體典型的制備工藝是在有石墨存在的條件下，將藍(lán)寶石晶體在強(qiáng)還原氣氛下退火得到。這就使得碳的摻入量十分有限，而且不易控制。同時，晶體生長工藝還需要昂貴的設(shè)備、生產(chǎn)周期長、成本高，不易制備大尺寸。隨著陶瓷制備技術(shù)的不斷發(fā)展，使得制備出的00-八1203透明陶瓷在各種性能上與OC-Al203單晶接近。并且采用陶瓷工藝，可以在低于熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，同時可以很方便地實現(xiàn)C的摻雜，生產(chǎn)成本低、效率高、激活離子摻雜濃度高并可以制造大尺寸和形狀復(fù)雜的樣品，適宜批量生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種采用高純a-Al203和C粉或石墨為原料，在較低溫度條件下，采用固相燒結(jié)法制備a-Al203:C透明陶瓷熱釋光和光釋光材料的制備方法。本發(fā)明一種C摻雜0C-Al2O3透明陶瓷熱釋光和光釋光材料的制備方法，其特征在于是有以下的過程和步驟A.a-Al203透明陶瓷的制備a.采用高純99.99%的A1203、99%的MgO、99.99%的La203或Y203為原料；以A1203為基體材料，MgO以及La2Cb或Y203為燒結(jié)助劑；以A1203基體材料的重量為100作為計量基準(zhǔn)，摻雜材料的摻入量為MgO0.05-0.2wt%，La203或Y2030.05~0.2wt%;b.將按上述配方配制好的Al203基體材料和各摻雜材料進(jìn)行攪拌混合，混合料在蒸餾水中混磨24小時；c.在150'C溫度下烘干，然后加入濃度為5wt。/。的聚乙烯醇粘結(jié)劑，加入量為混合物整體重量的5%，并進(jìn)行造粒；d.粉粒在200MPa冷等靜壓下壓成片狀試樣；隨后在800。C預(yù)燒3小時，將聚乙烯醇粘結(jié)劑燒掉；e.將上述預(yù)燒后的試樣放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍為1650-1800'C，燒結(jié)時間為812小時；最終獲得致密透明的a-Al203透明陶瓷B.a-A!203透明陶瓷的滲碳將上述燒結(jié)好的a-Al203透明陶瓷試樣置于高純石墨氛圍中，即放在盛有石墨塊的坩堝中，隨后再放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進(jìn)行滲碳熱處理;熱處理的溫度范圍為14001650°C，保溫時間為315小時；通過調(diào)節(jié)熱處理溫度和保溫時間可控制碳的滲人量；最終獲得致密的a-Al203:C透明陶瓷。5本發(fā)明一種C慘雜a-Al203透明陶瓷熱釋光和光釋光材料的制備方法，其特征在于是有以下的過程和步驟a.采用高純99.99%的A1203、99%的MgO、99.99%的La203或Y203、高純石墨粉為原料；以八1203為基體材料，以MgO、La203或Y203、高純石墨粉為摻雜材料；以Al203基體材料的重量為100作為計量基準(zhǔn)，MgO的摻雜量為0.050.2wt。/。，La203或Y203的摻雜量為0.05-0.2wt%;C的摻雜量為0.05~0.2wt%;所述的MgO、La203或Y203為燒結(jié)助劑，所述的C為熱釋光和光釋光激活劑；b.將按上述配方配制好的Al203基體材料和各摻雜材料進(jìn)行攪拌混合，混合料在蒸餾水中混磨24小時；c.在15(TC溫度下烘干，然后加入濃度為5wt。/。的聚乙烯醇粘結(jié)劑，加入量為混合物整體重量的5%，并進(jìn)行造粒；d.粉粒在200MPa冷等靜壓下壓成片狀試樣；e.將上述預(yù)燒后的試樣放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍為1650~1800°C，燒結(jié)時間為510小時；最終獲得致密的a-Al203:C透明陶瓷；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)如下所述本發(fā)明用高純原料，采用陶瓷工藝制備出了a-Al203:C透明陶瓷熱釋光和光釋光材料，其性能經(jīng)測試與a-Al203:C單晶相近，而且陶瓷制備工藝容易實現(xiàn)碳的高摻雜。本發(fā)明的材料制備工藝簡單，制造成本低，有利于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。圖1為本發(fā)明a-Al203:C透明陶瓷熱釋光曲線。具體實施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的實施例敘述于后。實施例l本實施例的制備過程采用包括透明陶瓷燒結(jié)工藝和滲碳工藝兩個過程。本實施例的過程和步驟敘述如下1.Ct-Al203透明陶瓷的制備a.采用高純99.99%A1203、99°/。MgO、99.99%1^203或丫203為原料，以Al203為基體材料，MgO、La2Cb或Y203為燒結(jié)助劑；以八1203基體材料的重量為100作為計量基準(zhǔn)，摻雜材料的摻入量為1^203或Y203:0.05~0.20wt%;MgO:0.05~0.2wt%;b.將按上述配方配制好的A1203基體材料和各摻雜材料進(jìn)行攪拌混合，混合料在蒸餾水中混磨24小時；c.在150'C溫度下烘干，然后加入濃度為5wt。/。的聚乙烯醇粘結(jié)劑，加入量為混合物整體重量的5%，并進(jìn)行造粒；d.粉粒在200MPa冷等靜壓下壓成片狀試樣；隨后在80(TC預(yù)燒3小時，將聚乙烯醇粘結(jié)劑燒掉；e.將上述預(yù)燒后的試樣放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍為1650~1800°C，燒結(jié)時間為210小時；最終獲得致密透明的a-Al203透明陶瓷；2.a-AW)3透明陶瓷的滲碳將上述燒結(jié)好的(X-Al203透明陶瓷試樣置于高純石墨氛圍中，即放在盛有石墨粉的坩堝中，隨后再放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進(jìn)行滲碳熱處理；熱處理的溫度范圍為1400-1650'C，保溫時間為315小時；通過調(diào)節(jié)熱處理溫度和保溫時間可控制碳的滲人量；最終獲得致密的a-Al203:C透明陶瓷。本實施例中共做了9個實驗例，本實施例中的各實驗例參數(shù)如下表1所示。表l.本實施例中的各實驗例參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例2本實施例的過程和步驟敘述如下a.采用高純99.99%A1203、高純石墨粉、99°/。MgO和99.99%La203或Y203為原料;以A1203為基體材料，以C、MgO和1^203或Y203為摻雜材料；以八1203基體材料的重量為100作為計量基準(zhǔn)，其中MgO和La203或Y203為燒結(jié)助劑，C為熱釋光和光釋光激活劑。MgO的摻雜量為0.05-0.2wt%，La203或Y203的摻雜量為0.05~0.2wt%;C的摻雜量為0.05~0.2wt%;b.將按上述配方配制好的Al203基體材料和各摻雜材料進(jìn)行攪拌混合，混合料在蒸餾水中混磨24小時；c.在150。C溫度下烘干，然后加入濃度為5wt。/。的聚乙烯醇粘結(jié)劑，加入量為混合物整體重量的5%，并進(jìn)行造粒；d.粉粒在200MPa冷等靜壓下壓成片狀試樣；e.將上述試樣放在鉬絲爐中，在常壓還原氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，或放入鎢絲高溫真空爐中燒結(jié)。燒結(jié)溫度范圍為1650~1800'C，燒結(jié)時間為5~10小時，最終獲得致密的a-Al203:C透明陶瓷；本實施例中共做了9個實驗例，本實施例中的各實驗例參數(shù)如下表2所示。表2.本實施例中各實驗例參數(shù)實驗例編號基質(zhì)原料激活劑c(wt0/(0燒結(jié)助劑(wt%)燒結(jié)方法燒結(jié)溫度rc)/保溫時間a)MgOLa203Y2031a-Al2030.050.050.05H21750/52a-Al2030.050.050.05真空1750/53a-Al2030.050.10.1真空1750/54a-Al2030.050.050.05真空1750/55a-Al2030.050.050.1真空1750/56a-Al2030.10.050.05H21750/57a-Al2030.10.050.05真空1750/58a-Al2030.10.050.1H21750/59a-Al2030.10.050.1真空1750/5本發(fā)明方法實施例l中，通過改變燒結(jié)溫度和保溫時間改變碳的摻入量，得到了透明性良好的a-Al203:C透明陶瓷。本發(fā)明方法實施例2中，得到了碳含量不同的a-Al203:C陶瓷。在本發(fā)明所有實施例中得到的樣品均具有與a-Al203:C單晶相當(dāng)?shù)墓庾V曲線。a-Al203:C透明陶瓷的熱釋光和光釋光特性在Ris0TL/OSL-DA-15熱釋光和光釋光儀上測量，輻射源為儀器自帶8的^Sr卩射線。樣品經(jīng)一定劑量的wSrp射線輻照后，立即以2K/s的升溫速率加熱至773K，用U340濾光片和光電倍增管獲得熱釋光信號。其熱釋光特征曲線如圖1所示，具有單一熱釋光特征峰，位于504K。這說明oc-Al203:C透明陶瓷可以用作優(yōu)異的熱釋光和光釋光材料。權(quán)利要求1.一種C摻雜α-Al2O3透明陶瓷熱釋光和光釋光材料的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟A.α-Al2O3透明陶瓷的制備a.采用高純99.99％的Al2O3、99％的MgO、99.99％的La2O3或Y2O3為原料；以Al2O3為基體材料，MgO以及La2O3或Y2O3為燒結(jié)助劑；以Al2O3基體材料的重量為100作為計量基準(zhǔn)，摻雜材料的摻入量為MgO0.05~0.2wt％，La2O3或Y2O30.05~0.2wt％；b.將按上述配方配制好的Al2O3基體材料和各摻雜材料進(jìn)行攪拌混合，混合料在蒸餾水中混磨24小時；c.在150℃溫度下烘干，然后加入濃度為5wt％的聚乙烯醇粘結(jié)劑，加入量為混合物整體重量的5％，并進(jìn)行造粒；d.粉粒在200MPa冷等靜壓下壓成片狀試樣；隨后在800℃預(yù)燒3小時，將聚乙烯醇粘結(jié)劑燒掉；e.將上述預(yù)燒后的試樣放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍為1650~1800℃，燒結(jié)時間為8~12小時；最終獲得致密透明的α-Al2O3透明陶瓷；B.α-Al2O3透明陶瓷的滲碳將上述燒結(jié)好的α-Al2O3透明陶瓷試樣置于高純石墨氛圍中，即放在盛有石墨塊的坩堝中，隨后再放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進(jìn)行滲碳熱處理；熱處理的溫度范圍為1400~1650℃，保溫時間為3~15小時；通過調(diào)節(jié)熱處理溫度和保溫時間可控制碳的滲人量；最終獲得致密的α-Al2O3:C透明陶瓷。2.—種C摻雜a-AlA透明陶瓷熱釋光和光釋光材料的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟a.采用高純99.99%的A1203、99%的MgO、99.99%的1^203或Y203、高純石墨粉為原料；以A1A為基體材料，以MgO、LaA或YA、高純石墨粉為摻雜材料；以八1203基體材料的重量為100作為計量基準(zhǔn)，MgO的摻雜量為0.05~0.2wt%,LaA或YA的摻雜量為0.05~0.2wt%;C的摻雜量為0.05~0.2wt%;所述的MgO、LaA或Y203為燒結(jié)助劑，所述的C為熱釋光和光釋光激活劑；b.將按上述配方配制好的A1A基體材料和各摻雜材料進(jìn)行攪拌混合，混合料在蒸餾水中混磨24小時；c.在150。C溫度下烘干，然后加入濃度為5wtX的聚乙烯醇粘結(jié)劑，加入量為混合物整體重量的5%，并進(jìn)行造粒；d.粉粒在200MPa冷等靜壓下壓成片狀試樣；e.將上述試樣放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍為16501800°C，燒結(jié)時間為5~10小時；最終獲得致密的a-A1A:C透明陶瓷。全文摘要本發(fā)明涉及一種C摻雜α-Al₂O₃透明陶瓷熱釋光和光釋光材料及其制備方法，屬特種陶瓷材料制造工藝
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明方法采用高純α-Al₂O₃和碳粉或石墨為原料，以MgO以及La₂O₃或Y₂O₃為燒結(jié)助劑，在較低溫度條件下，采用固相燒結(jié)法制備α-Al₂O₃:C透明陶瓷熱釋光和光釋光材料。本發(fā)明方法制得的α-Al₂O₃:C透明透明陶瓷材料，根據(jù)檢測實驗證實，具有較優(yōu)異的熱釋光特性，該材料可用于輻射劑量測量材料。文檔編號C04B35/10GK101560102SQ200910052018公開日2009年10月21日申請日期2009年5月26日優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日發(fā)明者斌張,張浩佳,楊秋紅,陸神洲申請人:上海大學(xué)