專利名稱：表面活性劑改性制備摻雜釔鋁石榴石基透明陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種釔鋁石榴石基透明陶瓷的制備方法，特別涉及表面活性劑改性球磨漿料的混料方法，屬于激光陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Nd: YAG單晶是目前性能最好，產(chǎn)量最大，用途最廣的激光基質(zhì)材料，但其制備方法限制了晶體的尺寸(一般小于Φ75πιπι)。激光釹玻璃雖然較容易做到大尺寸，但其熱導(dǎo)卻比單晶低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且激光效率與單晶材料相比并不令人滿意。透明陶瓷激光材料在初期由于激光性能遠(yuǎn)不及激光晶體而沒(méi)有得到關(guān)注，直到1995年日本電氣通信大學(xué)的 A. Ikesue等采用固相反應(yīng)法和真空燒結(jié)技術(shù)制備出高透明的Nd:YAG陶瓷，用LD端泵浦首次獲得了激光輸出。與傳統(tǒng)的晶體相比較，激光透明陶瓷可實(shí)現(xiàn)大尺寸制備、形狀設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)高濃度均勻摻雜，制備周期短，生產(chǎn)成本低，并可制備出多層多功能的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因而受到人們極大的關(guān)注，并得到快速的發(fā)展。2000年以后，日本的神島化學(xué)公司、日本電氣通信大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院的晶體研究所等一起采用納米技術(shù)和真空燒結(jié)方法，聯(lián)合開(kāi)發(fā)出一系列二極管泵浦的高功率和高效率固體激光器，激光輸出功率從31W提高到1. 46KW，光-光轉(zhuǎn)化效率從14. 5%提高到42%，所制備的YAG激光透明陶瓷，其性能可以與晶體相媲美，甚至優(yōu)于晶體。據(jù)報(bào)道，采用日本所制備的激光透明陶瓷，美國(guó)最近已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)近100KW激光輸出。國(guó)內(nèi)多家研究單位已開(kāi)展了 YAG基激光陶瓷制備方面的工作，并取得了一些進(jìn)展。上海硅酸鹽研究所經(jīng)過(guò)多年的相關(guān)研究，成功制備了高質(zhì)量的各種稀土離子(Nd，Yb, Tm, Ho, Er)摻雜YAG透明陶瓷，2009年3月，Tm: YAG透明陶瓷(1. 2_X 5_X 6mm)，輸出激光4. 5W，斜率效率為20.5%。2010年(經(jīng)北京理化所測(cè)試)，單根Nd: YAG陶瓷棒，最大激光輸出為425W，光光轉(zhuǎn)換效率為42.5%，采用相同實(shí)驗(yàn)條件，相同尺寸的Nd:YAG晶體，其最大激光輸出功率同樣為425W，光光轉(zhuǎn)換效率為42. 5%, NdiYAG陶瓷的激光性能接近晶體。采用固相法制備釔鋁石榴石透明陶瓷，其優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單及易于大規(guī)模生產(chǎn)。但固相法制備過(guò)程中也存在一些缺點(diǎn)，例如各種氧化物原料，尤其是燒結(jié)助劑和添加劑，由于其本身含量很少，要使其在漿料中均勻分布是一件很困難的事情，進(jìn)而影響到隨后陶瓷的燒結(jié)。因此提高球磨混合過(guò)程中各氧化物的分散性，改善混合粉體的性能是固相法制備YAG基透明陶瓷必須克服的一個(gè)難題。向球磨漿料中加入表面活性劑，既有利于降低漿料的粘度，提高漿料的流動(dòng)性，同時(shí)還能抑制粉體在噴霧干燥過(guò)程中出現(xiàn)粘壁和成分偏析，提高粉體回收率。該方法有利于提高釔鋁石榴石基透明陶瓷的性能，并且非常適合大批量生產(chǎn)透明陶瓷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種表面活性劑改性制備摻雜釔鋁石榴石基透明陶瓷的方法，此方法在于向漿料中添加表面分散劑，降低漿料的粘度，改善漿料的流動(dòng)性，有助于各種氧化物粉體和燒結(jié)助劑混合均勻，保證了整個(gè)素坯燒結(jié)性能的一致性，相比較未添加表面活性劑，透明陶瓷的性能有了明顯的提高；同時(shí)加入表面活性劑，有利于抑制混合粉體在噴霧干燥過(guò)程中出現(xiàn)粘壁和成分偏析，提高粉體的回收率，該方法非常適合透明陶瓷的制備。其具體步驟包括1.將A1203、Y2O3> RE2O3粉體、TEOS、Al2O3磨球、無(wú)水乙醇和表面活性劑一起放入 Al2O3球磨罐中進(jìn)行球磨混合，球磨時(shí)間6 20h，得到混合漿料。2.球磨混合漿料在60 120°C，空氣中干燥1 20h，干燥后的粉體過(guò)100 250
目篩；或者直接采用噴霧干燥造粒。3.干燥粉體在空氣中600 1000°C煅燒保溫1 5h，以除去表面活性劑。4.煅燒后粉體在lOOMI^a干壓成型，然后在250MI^冷等靜壓，進(jìn)一步提高素坯的致
也/又。5.陶瓷素坯在1650 1850°C真空燒結(jié)，保溫時(shí)間為Ih 50h。步驟1中原料的純度為99. 99%以上。步驟1中表面活性劑為包括丙烯酸樹(shù)脂，鯡魚(yú)油(MFO)、十六烷基三甲基溴化銨 (CTAB)、聚丙烯酸(PAA)、甘油酯、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、十二烷基磺酸鈉 (SDS)在內(nèi)的陰離子表面活性劑或陽(yáng)離子表面活性劑中的一種或幾種。步驟1中表面活性劑占氧化物粉體總重量的百分比為0. 01% -10wt%。步驟5中燒結(jié)后得到RE:YAG陶瓷塊體經(jīng)過(guò)平面磨制、拋光即得到本發(fā)明的透明陶瓷材料，拋光樣品厚度為0. 2-100mm。本發(fā)明利用表面活性劑改性球磨混合漿料，降低漿料的粘度，改善漿料的流動(dòng)性， 提高各種氧化物粉體與燒結(jié)助劑混合均勻性，在噴霧干燥過(guò)程中，表面活性劑的加入，有利于粉體噴霧造粒，抑制了粉體吸附在噴霧塔內(nèi)壁上，提高粉體回收率。加入表面活性劑后， RE: YAG透明陶瓷的性能要優(yōu)于未添加表面活性劑。噴霧干燥的采用，有利于大批量制備球磨粉體，有利于批量生產(chǎn)，進(jìn)一步拓寬RE:YAG透明陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1.按實(shí)施例1、2、3、4、5和6制備的透明陶瓷實(shí)物照片(從左到右)。
圖2.按實(shí)施例1制備的透明陶瓷透過(guò)率曲線。
圖3.按實(shí)施例2制備的透明陶瓷透過(guò)率曲線。
圖4.按實(shí)施例3制備的透明陶瓷透過(guò)率曲線。
圖5.按實(shí)施例4制備的透明陶瓷透過(guò)率曲線。
圖6.按實(shí)施例5噴霧干燥后混合粉體形貌照片。
圖7.按實(shí)施例5制備的透明陶瓷透過(guò)率曲線。
圖8.按實(shí)施例6噴霧干燥后混合粉體形貌照片。
表1.按實(shí)施例5、6噴霧干燥后混合粉體中各氧化物的含量。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將33. 9618 克 Y2O3, 25. 7644 克 Al2O3,0. 4081 克 Nd2O3 和 0. 302 克 TEOS 放入高純氧化鋁球磨罐中，以高純氧化鋁球?yàn)槟デ?，以無(wú)水乙醇為溶劑，球磨時(shí)間為8h，然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在80°C烘干，干燥后的漿料過(guò)篩，粉體在空氣中800°C煅燒他，煅燒后粉體采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成Φ30Χ5πιπι圓塊狀，預(yù)壓好的圓片再冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1750°C保溫30h，真空燒結(jié)得到的Nd:YAG陶瓷在空氣中 1450°C保溫20h。將燒結(jié)好的0. 8at% NdiYAG陶瓷平面磨制、拋光，圖1 (a)為樣品照片，圖 2為其直線透過(guò)率。實(shí)施例2將33. 9618 克 Y2O3, 25. 7644 克 Al2O3,0. 4081 克 Nd2O3, 3. 608 克(6wt% ) SDS (陰離子表面活性劑)和0. 302克TEOS放入高純氧化鋁球磨罐中，以高純氧化鋁球?yàn)槟デ?，以無(wú)水乙醇為溶劑，球磨時(shí)間為他，然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在80°C烘干，干燥后的漿料過(guò)篩，粉體在空氣中800°C煅燒6h，煅燒后粉體采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成Φ30Χ5πιπι圓塊狀，預(yù)壓好的圓片再冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1750°C保溫50h， 真空燒結(jié)得到的Nd:YAG陶瓷在空氣中1450°C保溫20h。將燒結(jié)好的0. 8at% Nd:YAG陶瓷平面磨制、拋光，圖1 (b)為樣品照片，圖3為其直線透過(guò)率。實(shí)施例3將33. 9618 克 Y2O3, 25. 7644 克 Al2O3,0. 4785 克 Yb2O3,0. 12 克(0. lwt%)CTAB (陽(yáng)離子表面活性劑)和0. 302克TEOS放入高純氧化鋁球磨罐中，以高純氧化鋁球?yàn)槟デ?，以無(wú)水乙醇為溶劑，球磨時(shí)間為他，然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在80°C烘干，干燥后的漿料過(guò)篩，粉體在空氣中800°C煅燒6h，煅燒后粉體采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成Φ30Χ5πιπι圓塊狀，預(yù)壓好的圓片再冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1750°C保溫50h， 真空燒結(jié)得到的Nd:YAG陶瓷在空氣中1450°C保溫20h。將燒結(jié)好的0. 8at% Nd:YAG陶瓷平面磨制、拋光，圖1 (c)為樣品照片，圖4為其直線透過(guò)率。實(shí)施例4將33. 9618 克 Y2O3, 25. 7644 克 Al2O3,0. 4081 克 Nd2O3,0. 06 克(0. 05wt% ) CTAB, 1. 2 克302克TEOS放入高純氧化鋁球磨罐中，以高純氧化鋁球?yàn)槟デ?，以無(wú)水乙醇為溶劑，球磨時(shí)間為他，然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在80°C烘干，干燥后的漿料過(guò)篩，粉體在空氣中800°C煅燒6h，煅燒后粉體采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成Φ30Χ5πιπι圓塊狀，預(yù)壓好的圓片再冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1750°C保溫50h，真空燒結(jié)得到的Nd:YAG陶瓷在空氣中1450°C保溫20h。將燒結(jié)好的0. 8at% Nd:YAG陶瓷平面磨制、拋光，圖1 (d)為樣品照片，圖5為其直線透過(guò)率。實(shí)施例5將33. 9618 克 Y2O3, 25. 7644 克 Al2O3,0. 4081 克 Nd2O3,4. 810 克(8wt % )PVB 和 0. 302克TEOS放入高純氧化鋁球磨罐中，以高純氧化鋁球?yàn)槟デ?，以無(wú)水乙醇為溶劑，球磨時(shí)間為18h，然后將漿料和磨球分離，采用噴霧干燥設(shè)備對(duì)漿料進(jìn)行噴霧造粒，造粒后粉體在空氣中800°C煅燒他，粉體形貌如圖4，粉體中各氧化物的含量如表1所示。煅燒后粉體采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成Φ30Χ5πιπι圓塊狀，預(yù)壓好的圓片再冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1750°C保溫40h，真空燒結(jié)得到的Nd: YAG陶瓷在空氣中1450°C保溫20h。將燒結(jié)好的0. 8at% NdiYAG陶瓷平面磨制、拋光，圖1 (e)為樣品照片，圖7為其直線透過(guò)率。 圖6為噴霧干燥后混合粉體形貌照片。
實(shí)施例6將33. 9618 克 ^O3，25. 7644 克 Al2O3，0. 4081 克 Nd2O3 和 0. 302 克 TEOS 放入高純氧化鋁球磨罐中，以高純氧化鋁球?yàn)槟デ?，以無(wú)水乙醇為溶劑，球磨時(shí)間為18h，然后將漿料和磨球分離，采用噴霧干燥設(shè)備對(duì)漿料進(jìn)行噴霧造粒，造粒后粉體在空氣中800°C煅燒他，粉體形貌如圖6所示，粉體中各氧化物的含量如表1所示。煅燒后粉體采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成Φ30Χ5πιπι圓塊狀，預(yù)壓好的圓片再冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1750°C保溫40h，真空燒結(jié)得到的Nd: YAG陶瓷在空氣中1450°C保溫20h。將燒結(jié)好的0. 8at% NdiYAG 陶瓷平面磨制、拋光，樣品完全不透明，圖1(f)為樣品照片。圖8為其直線透過(guò)率。表 權(quán)利要求
1.一種表面活性劑改性制備摻雜釔鋁石榴石基透明陶瓷的方法，包括漿料混合、干燥、 煅燒、成型、燒結(jié)和退火處理，其特征在于(1)將A1203、Y2O3>RE2O3粉體、TEOS、Al2O3磨球、無(wú)水乙醇和表面活性劑一起放入Al2O3 球磨罐中進(jìn)行球磨混合，球磨時(shí)間6 20h，得到混合漿料；(2)將步驟(1)所制備的漿料在干燥、過(guò)篩后所制備的粉體，在空氣中煅燒處理，以除去表面活性劑；表面活性劑占氧化物粉體總質(zhì)量的百分比為0. 01% -10wt%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的表面活性劑為包括丙烯酸樹(shù)脂，鯡魚(yú)油、十六烷基三甲基溴化銨、聚丙烯酸、甘油酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、十二烷基磺酸鈉在內(nèi)的陰離子表面活性劑或陽(yáng)離子表面活性劑中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于RE2O3中RE為Nd3+、Yb3+、Er3+、Dy3+、Ho3+、 Tm3+、Ce3+、Tb3+或 Eu3+。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟O)中漿料在60 120°C，空氣中干燥1 20h，干燥后的粉體過(guò)100 250目篩；或者直接采用噴霧干燥造粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟O)中粉體在空氣中600 1000°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于煅燒保溫時(shí)間為1-證。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于使用的表面活性劑為十二烷基硫酸鈉、 十六烷基三甲基溴化銨、聚乙烯醇縮丁醛或它們的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面活性劑改性制備釔鋁石榴石基透明陶瓷的方法，其特征在于，將氧化鋁、氧化釔和稀土氧化物粉體、正硅酸乙酯，無(wú)水乙醇和表面活性劑球磨混合，制備成非水基漿料，所制備的漿料烘干，過(guò)篩，在空氣氣氛中，600～1000℃煅燒1～5h去除表面活性劑，得到均勻混合的粉體，粉體經(jīng)干壓成型，素坯1650～1850℃真空燒結(jié)，保溫時(shí)間為1～50h，相比較未添加表面活性劑，添加表面活性劑的樣品的光學(xué)性能得到很大的提高。本方法優(yōu)點(diǎn)在于向漿料中添加表面分散劑，降低漿料的粘度，改善漿料的流動(dòng)性，有助于各種氧化物粉體和燒結(jié)助劑混合均勻，保證了整個(gè)素坯燒結(jié)性能的一致性，相比較未添加表面活性劑，透明陶瓷的性能有了明顯的提高。
文檔編號(hào)C04B35/50GK102173800SQ20101061924
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉文斌, 劉秉龍, 姜本學(xué), 張文馨, 李江, 沈毅強(qiáng), 潘裕柏, 王亮, 陳明霞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所