專利名稱：一種氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法
一種氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法 技本領(lǐng)域 本發(fā)明屬于陶瓷材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法。
背景技術(shù)：
透明陶瓷既具有像玻璃一樣的透光性，又具有陶瓷本身的耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度等優(yōu)異性能。在能源、醫(yī)學(xué)成像、激光武器、勘探等方面透明陶瓷均有廣泛應(yīng)用前景。高性能透明陶瓷是當(dāng)前材料領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重要前沿方向。 陶瓷一般是不透明的，因為陶瓷內(nèi)部的雜質(zhì)和氣孔會形成大量的散射中心而使其不透明。但是對于一些具有立方相結(jié)構(gòu)的特殊的材料比如氧化釔、氧化鎂等，一旦將其內(nèi)部的雜質(zhì)和氣孔完全排除后，這些材料就顯現(xiàn)出類似于玻璃一樣的光學(xué)透過性。人類對于陶瓷具有光學(xué)透過性認(rèn)識開始于上個世紀(jì)五十年代，陶瓷科學(xué)家coble制備了第一塊半透明的氧化鋁陶瓷，此后幾十年中人們陸續(xù)制備了釔鋁石榴石、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、二氧化鋯、摻鑭鋯鈦酸鉛等多種氧化物系列透明陶瓷。近期又制備出非氧化物透明陶瓷，如氮化硅、砷化鎵、硫化鋅、硒化鋅、氟化鎂、氟化^和氧氮化鋁等。 目前對于氧化物透明陶瓷的燒結(jié)方法有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、常壓燒結(jié)(氣氛燒結(jié)和真空燒結(jié))等方法。稱為Yttralox的氧化釔透明陶瓷是由美國通用電氣公司首先研制成功的，該方法以Th02作為燒結(jié)添加劑，在217(TC下常壓燒結(jié)得到。美國專利4115134介紹了一種通過兩步燒結(jié)，高溫相轉(zhuǎn)化來控制晶粒生長，制備致密透明摻鑭氧化釔陶瓷的燒結(jié)方法。隨著粉體技術(shù)的發(fā)展，采用高純、超細(xì)原料，通過工藝上的嚴(yán)格控制，可以得到晶粒尺寸在亞微米到微米尺度的透明陶瓷。日本科學(xué)家Takayasulkegami等利用真空燒結(jié)的方法在170(TC條件下即可得到氧化釔透明陶瓷。 但是常規(guī)燒結(jié)方法很難控制晶粒的生長和氣孔排除速度，容易產(chǎn)生晶粒內(nèi)氣孔而使陶瓷透過率下降。所以至今還未獲得達(dá)到理論透過率的透明氧化釔陶瓷。并且納米氧化釔粉體在真空中容易被還原，使燒結(jié)體中氧缺位嚴(yán)重，也容易降低其透過率。目前對于釔鋁石榴石透明陶瓷的燒結(jié)研究較為成熟，其透過率也基本達(dá)到理論值。但是在用于固體激光器基質(zhì)材料方面，只有少數(shù)國家能得到激光輸出。這就意味著燒結(jié)體中依然存在微小氣孔影響激光器的工作。對于氧化物透明陶瓷的燒結(jié)，以上常規(guī)燒結(jié)方法最根本的難點在于不能調(diào)控致密化和晶粒生長兩個過程，無法起到人為調(diào)控的作用。陳一葦教授(I.Chen，X.Wang， Nature 2000,404,168.)提出利用兩步燒結(jié)的方法在低溫?zé)Y(jié)致密氧化釔陶瓷，但是未能制備出透明陶瓷。在此基礎(chǔ)上K. Serivalsatit等(K. Serivalsatit， B. Kokuoz，B. Kokuoz， J. Ballato， Optics Letters2009， 34， 1033.)，將兩步燒結(jié)后具有一定致密度的樣品進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)，制備出具有納米晶粒的透明陶瓷。但是該燒結(jié)方法涉及的成本較高，不易操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法。 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題
—種氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，包括如下步驟 1)將原料粉體按照各元素的比例進(jìn)行配料并混合后制得混合粉體，然后將混合粉體通過冷等靜壓成型； 2)將成型后的混合粉體升溫至1200 160(TC之間，然后立即降溫350 800°C，進(jìn)行保溫； 3)將保溫后的混合粉體真空燒結(jié)2 10小時。 本發(fā)明所述的氧化釔基透明陶瓷為摻雜氧化釔基透明陶瓷。 較佳的，所述摻雜氧化釔基透明陶瓷的化學(xué)組成為Y(2—X)MX03，其中M選自Nd、 Yb、Er、La、Ho或Zr中的一種或多種，所述x表示M元素的摩爾比例。 優(yōu)選的，所述x的取值范圍為0 < x《0. 2 ;進(jìn)一步優(yōu)選的，所述x的取值范圍為0. 02《x《0. 2，最優(yōu)選的，所述x的取值范圍為0. 02《x《0. 16。 優(yōu)選的，所述摻雜氧化釔基透明陶瓷為鑭元素?fù)诫s的氧化釔基透明陶瓷(La:YA)、鋯元素?fù)诫s的氧化釔基透明陶瓷(Zr:Y203)、釹元素?fù)诫s的氧化釔基透明陶瓷(Nd:Y203)、鐿元素?fù)诫s的氧化紀(jì)基透明陶瓷(Yb:Y203)、鑭元素和釹元素共摻雜的氧化紀(jì)基透明陶瓷(La， Nd:Y203)或鑭元素、鉺元素以及鐿元素共摻雜的氧化釔基透明陶瓷(La， Er，Yb:Y203)。 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鑭元素?fù)诫s的氧化釔基透明陶瓷(La:Y203)的組成為
Y丄84La0 1603或Y丄86La0 1403。 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鋯元素?fù)诫s的氧化釔基透明陶瓷(Zr:Y203)的組成為
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述釹元素?fù)诫s的氧化釔基透明陶瓷(Nd:Y203)的組成為
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鐿元素?fù)诫s的氧化釔基透明陶瓷(Yb:Y203)的組成為
YL9Ybo.A或Yu艮403。 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鑭元素和釹元素共摻雜的氧化釔基透明陶瓷(La， Nd:Y203)的組成為Yu8Nd。.。2La。.A。 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鑭元素、鉺元素以及鐿元素共摻雜的氧化釔基透明陶瓷(La，Er， Yb:Y203)的組成為YuLa。. ^r。.。2Yb。. ^。 所述步驟1)的原料粉體為氧化釔粉體(Y203)及含有摻雜元素的金屬氧化物粉體。 較佳的，所述含有摻雜元素的金屬氧化物粉體選自氧化鑭(La203)粉體、氧化釹
(Nd203)粉體、氧化鐿(Yb203)粉體、氧化鉺(Er203)粉體、氧化鈥(Ho203)粉體和氧化鋯(Zr02)
粉體中的一種或多種，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)摻雜元素的種類進(jìn)行選擇。 較佳的，所述步驟1)中的原料粉體為納米級粉體或者納米級粉體和微米級粉體
的混合粉體。優(yōu)選的，所述原料粉體的粒徑范圍為30 500nm，進(jìn)一步優(yōu)選為50 500nm。
較佳的，所述步驟1)中的冷等靜壓成型的壓力范圍為70 250MPa。
優(yōu)選的，所述步驟l)中的冷等靜壓成型之前，還需要對混合粉體進(jìn)行干壓。
較佳的，所述步驟2)中的升溫速率為5°C 20°C /分鐘。 較佳的，所述步驟2)中的降溫速率為10 60°C /分鐘，優(yōu)選為30 50°C /分鐘。
較佳的，所述步驟2)中的保溫時間為10 100小時，優(yōu)選為20 40小時。
較佳的，所述步驟3)中，真空燒結(jié)溫度為1500°C 1850°C。 本發(fā)明通過兩步燒結(jié)結(jié)合真空燒結(jié)的燒結(jié)方法制備氧化釔基透明陶瓷。本發(fā)明所用的設(shè)備主要是馬弗爐和真空燒結(jié)爐，其燒結(jié)原理在于將燒結(jié)致密化過程和晶粒長大過程盡可能拆分開來。首先控制工藝條件使致密化和晶粒生長通過表面擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散等機(jī)制同時發(fā)生，到達(dá)一定程度后使晶粒生長停止而繼續(xù)致密化過程，最后再通過本體擴(kuò)散再次激活晶粒生長并完全致密化。本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過燒結(jié)條件的控制來調(diào)控致密化和晶粒生長兩個過程。燒結(jié)條件主要有溫度的控制，保溫時間的控制以及燒結(jié)氣氛的控制。本發(fā)明的燒結(jié)方法的優(yōu)點在于透明陶瓷的主要致密化過程在低溫空氣氣氛中完成，低溫下有利于操作并降低制備成本；同時，致密化過程在低溫下進(jìn)行，可以控制晶粒長大速度，有利于氣孔排出；而且燒結(jié)樣品無需退火處理即具有良好的透過性。本發(fā)明的燒結(jié)方法利用納米粉體特殊的燒結(jié)性能，首先在低溫(熔點溫度40%左右)處理，促使樣品在致密化(達(dá)到約90%的理論密度)的同時，有效控制晶粒長大，進(jìn)一步在真空環(huán)境中升溫?zé)Y(jié)得到微晶透明陶瓷。同時，本發(fā)明的燒結(jié)方法具有成本較低，易于操作的特點。


圖1為實施例1中燒結(jié)制得的透明陶瓷樣品的照片。
圖2為實施例2中燒結(jié)制得的透明陶瓷樣品的照片。
圖3為實施例1的燒結(jié)過程示意圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。 實施例1 :將摻有7at^氧化鑭的氧化釔粉體(鑭元素的摩爾數(shù)占鑭元素和釔元素摩爾量之和的百分比為7%)(粉體粒徑為50 500nm)將200MPa冷等靜壓樣品放入馬弗爐中，以20°C /分鐘的升溫速度升至145(TC，然后立即以50°C /分鐘的降溫速度降至900°C，在此溫度保溫20小時。然后將樣品取出在1800°C， 10—卞a真空度下燒結(jié)8小時得到lmm厚度透明氧化釔陶瓷樣品，見附圖1，圖1為透明陶瓷樣品立于紙面上的照片。圖3為燒結(jié)過程示意圖，其中第一步為空氣中加熱到1450°C ，然后立即降溫到900°C ;第二步為保溫20小時；第三步為真空中170(TC燒結(jié)4小時。制得的氧化釔基透明陶瓷的化學(xué)式為YueLa。j(V
實施例2 :將摻有7at^氧化鑭的氧化釔粉體(鑭元素的摩爾數(shù)占鑭元素和釔元素摩爾數(shù)之和的百分比為7% )(粉體粒徑為50 500nm)200MPa冷等靜壓后放入馬弗爐中，以5°C /分鐘的升溫速度升至135(TC，立即30°C /分鐘降溫至IOO(TC，保溫40小時。然后將樣品置于真空爐中170(TC燒結(jié)2小時得到2mm厚度透明陶瓷，見附圖2，圖2為透明陶瓷樣品在白紙上方40cm，相機(jī)鏡頭前20cm拍攝的照片。制得的氧化釔基透明陶瓷的化學(xué)式為
Yi. 86^0. 14〇3。
實施例3 :將由氧化釔粉體和氧化鋯粉體組成的混合粉體(鋯元素的摩爾數(shù)占鋯元素和釔元素摩爾數(shù)之和的百分比為2at% )(粉體粒徑為50 500nm)進(jìn)行干壓并通過 70MPa冷等靜壓成型；然后將成型后的混合粉體放入馬弗爐中，以20°C /分鐘的升溫速率升 溫至140(TC ;然后立即降溫至90(TC，保溫40小時。然后將保溫后的混合粉體放置于真空 燒結(jié)爐中170(TC燒結(jié)10小時。制得的氧化釔基透明陶瓷中，其化學(xué)式為Ur。.M(V
實施例4 :將由氧化釔粉體、氧化鑭粉體以及氧化釹組成的混合粉體(鑭元素的 摩爾數(shù)占鑭元素、釔元素和釹元素的摩爾數(shù)之和的5at^，釹元素的摩爾數(shù)占鑭元素、釔元 素和釹元素的摩爾數(shù)之和的lat% )(粉體粒徑為50 500nm)進(jìn)行干壓并通過70MPa冷 等靜壓成型；然后將成型后的混合粉體放入馬弗爐中，以20°C /分鐘的升溫速率升溫至 1200°C ;然后立即降溫至80(TC，保溫40小時。然后將保溫后的混合粉體放置于真空燒結(jié) 爐中150(TC燒結(jié)10小時。制得的氧化釔基透明陶瓷中，其化學(xué)式為Yu8La。.^d。.。A。
實施例5 :將由氧化釔粉體和氧化鑭粉體組成的混合粉體(鑭元素的摩爾數(shù)占鑭 元素和釔元素的摩爾數(shù)之和的8at% )(粉體粒徑為50 500nm)進(jìn)行干壓并通過70MPa 冷等靜壓成型；然后將成型后的混合粉體放入馬弗爐中，以20°C /分鐘的升溫速率升溫至 1600°C ;然后立即降溫至80(TC，保溫40小時。然后將保溫后的混合粉體放置于真空燒結(jié) 爐中150(TC燒結(jié)10小時。制得的氧化釔基透明陶瓷中，其化學(xué)式為\841^。.1603。
實施例6 將摻有7at^氧化鐿(鐿元素的摩爾數(shù)占鐿元素和釔元素的摩爾數(shù)之和的7at% ) 的氧化釔粉體(粉體粒徑為50 500nm)將200MPa冷等靜壓樣品放入馬弗爐中，以l(TC / 分鐘的升溫速度升至160(TC，然后立即以l(TC /分鐘的降溫速度降至120(TC，在此溫度保 溫10小時。然后將樣品取出在185(TC， 10—3Pa真空度下燒結(jié)10小時得到透明氧化釔陶瓷 樣品。制得的氧化釔基透明陶瓷中，其化學(xué)式為\8^13。.1403。
實施例7 將由氧化釔粉體、氧化鑭粉體、氧化鉺粉體以及氧化鐿(Yb203)粉體組成的混合 粉體(鑭元素的摩爾數(shù)占鑭元素、釔元素、鐿元素和鉺元素的摩爾數(shù)之和的5at^，鉺元素 的摩爾數(shù)占鑭元素、釔元素、鐿元素和鉺元素的摩爾數(shù)之和的lat^，鐿元素的摩爾數(shù)占鑭 元素、紀(jì)元素、鐿元素和鉺元素的摩爾數(shù)之和的5at% )(粉體粒徑為50 500nm)進(jìn)行干 壓并通過250MPa冷等靜壓成型；然后將成型后的混合粉體放入馬弗爐中，以15°C /分鐘 的升溫速率升溫至1600°C ;然后立即降溫至80(TC，保溫100小時。然后將保溫后的混合 粉體放置于真空燒結(jié)爐中180(TC燒結(jié)5小時。制得的氧化釔基透明陶瓷中，其化學(xué)式為 Yi. 78[a0. iEr0. o^Ybo. i03。
實施例8 將由氧化釔粉體和氧化釹粉體組成的混合粉體(釹元素的摩爾數(shù)占釹元素和釔 元素的摩爾數(shù)之和的lat% )(粉體粒徑為50 500nm)進(jìn)行干壓并通過70MPa冷等靜壓成 型；然后將成型后的混合粉體放入馬弗爐中，以20°C /分鐘的升溫速率升溫至140(TC;然后 立即降溫至90(TC，保溫40小時。然后將保溫后的混合粉體放置于真空燒結(jié)爐中170(TC燒 結(jié)10小時。制得的氧化釔基透明陶瓷中，其化學(xué)式為\』(1。.。203。
實施例9 將由氧化釔粉體和氧化鐿粉體組成的混合粉體(鐿元素的摩爾數(shù)占鐿元素和釔 元素的摩爾數(shù)之和的5at% )(粉體粒徑為50 500nm)進(jìn)行干壓并通過70MPa冷等靜壓成型；然后將成型后的混合粉體放入馬弗爐中，以20°C /分鐘的升溫速率升溫至140(TC;然后 立即降溫至90(TC，保溫40小時。然后將保溫后的混合粉體放置于真空燒結(jié)爐中170(TC燒 結(jié)10小時。制得的氧化釔基透明陶瓷中，其化學(xué)式為YuYb。.,(V
權(quán)利要求
一種氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，包括如下步驟1)將原料粉體按照各元素的比例進(jìn)行配料并混合后制得混合粉體，然后將混合粉體通過冷等靜壓成型；2)將成型后的混合粉體升溫至1200～1600℃之間，然后立即降溫350～800℃，進(jìn)行保溫；3)將保溫后的混合粉體真空燒結(jié)2～10小時。
2. 如權(quán)利要求l中所述的氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，其特征在于，所述氧化釔基透明陶瓷的化學(xué)組成為Y(2—x)M^3，其中M選自Nd、Yb、Er、La、Ho或Zr中的一種或多種，且x的取值范圍為0 <x《0.2。
3. 如權(quán)利要求1或2中任一權(quán)利要求所述的氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，其特征在于，所述步驟1)的原料粉體為氧化釔粉體及含有摻雜元素的金屬氧化物粉體，且所述原料粉體的粒徑范圍為30 500nm。
4. 如權(quán)利要求3中所述的氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，其特征在于，所述含有摻雜元素的金屬氧化物粉體選自氧化鑭粉體、氧化釹粉體、氧化鐿粉體、氧化鉺粉體、氧化鈥粉體和氧化鋯粉體中的一種或多種。
5. 如權(quán)利要求1或2中任一權(quán)利要求所述的氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，其特征在于，所述步驟1)的冷等靜壓成型的壓力為70 250MPa。
6. 如權(quán)利要求1或2中任一權(quán)利要求所述的氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，其特征在于，所述步驟2)中的升溫速率為5°C 20°C /分鐘。
7. 如權(quán)利要求1或2中任一權(quán)利要求所述的氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，其特征在于，所述步驟2)中的降溫速率為10 60°C /分鐘。
8. 如權(quán)利要求1或2中任一權(quán)利要求所述的氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，所述步驟2)中的保溫時間為10 100小時。
9. 如權(quán)利要求1或2中任一權(quán)利要求所述的氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法，其特征在于，所述步驟3)中的真空燒結(jié)溫度為1500°C 1850°C。
10. —種氧化釔基透明陶瓷，經(jīng)步驟1 9中任一權(quán)利要求中所述的燒結(jié)方法制得。
全文摘要
本發(fā)明屬于陶瓷材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種氧化釔基透明陶瓷的燒結(jié)方法。本發(fā)明的方法包括如下步驟將混合粉體經(jīng)冷等靜壓成型后升溫至1200～1600℃之間，然后立即降溫350～800℃，進(jìn)行保溫，最后將保溫后的混合粉體真空燒結(jié)2～10小時。本發(fā)明的燒結(jié)方法利用納米粉體特殊的燒結(jié)性能，首先在低溫(熔點溫度40％左右)處理，促使樣品在致密化(達(dá)到約90％的理論密度)的同時，有效控制晶粒長大，進(jìn)一步在真空環(huán)境中升溫?zé)Y(jié)得到微晶透明陶瓷。本發(fā)明的燒結(jié)方法可以有效控制燒結(jié)過程中的晶粒長大，有利于氣孔排出，而且燒結(jié)樣品無需退火處理即具有良好的透過性。本發(fā)明的燒結(jié)方法具有成本較低，易于操作的特點。
文檔編號C04B35/505GK101698601SQ20091019828
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者張景賢, 林慶玲, 江東亮, 黃政仁, 黃毅華 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所