專利名稱：一種Nd³⁺:Lu₂O₃半透明納米陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Lu2O3納米陶瓷制備的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，關(guān)于Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷燒結(jié)致密化工藝，不乏有采用SPS、熱壓、熱等靜壓等燒結(jié)工藝制備細(xì)晶粒陶瓷的報道，但其實(shí)驗(yàn)條件較高，或 者對樣品存在污染，也難以制備大尺寸樣品。國際上I Strek等通過高壓低溫?zé)Y(jié)(8GPa，450°C)制備了 Y3Al5O12(Y AG)納米晶粒(-IOOnm)的透明陶瓷，透過率達(dá)到60%，但該法對設(shè)備要求及其苛刻，且由于超高壓條件，燒結(jié)體存在較大應(yīng)力，容易開裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了解決上述的技術(shù)問題而提供一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，即在常壓、還原氣氛中下，采用多步燒結(jié)法，優(yōu)選三步燒結(jié)法，成功制備了一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷。其制備過程無需復(fù)雜設(shè)備，工藝簡單，適合制備大尺寸納米陶瓷樣品。且采用該方法制備的納米陶瓷，塊體致密、均勻，幾無應(yīng)力。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種NcT = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，即在常壓、流動氫氣氛中，將NcT = Lu2O3素坯在1400°C -1750°C采用多步燒結(jié)后降至室溫即得Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷。所述的多步燒結(jié)優(yōu)選為三步燒結(jié)，以三步燒結(jié)為例，其燒結(jié)過程的溫度控制曲線的示意圖如圖I所示，圖I中，第一步燒以20-40°C /min的升溫速度至1400°C保溫,保溫15 30min ;第二步燒結(jié)以10_20°C /min的升溫速度升溫至1600_1750°C，保溫15 30min ;第三步燒結(jié)控制溫度為1600-1700°C，保溫6-20h。上述的一種NcT = Lu2O3半透明納米陶瓷的三步燒結(jié)制備方法，其具體包括如下步驟
(I )、將化學(xué)法制備的Nd離子摻雜Lu2O3高燒結(jié)活性粉體等靜壓成Nd3+: Lu2O3素坯后，置于真空爐中500-800°C保溫2h，冷卻至室溫，即得用于燒結(jié)Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷的素坯；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結(jié)Nd3+= Lu2O3納米陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣以排空爐腔中的空氣后，以20-40°C /min的升溫速度至1400-1600°C保溫，保溫15 30min ；
(3)、步驟(2)保溫結(jié)束后，立即以10-20°C/min的升溫速度升溫至1600_1750°C，優(yōu)選1720 1750 O，保溫 15 30min ；
(4 )、步驟(3 )保溫結(jié)束后，立即斷電降溫至1600-1700 V，保溫6_20h;
(5)、步驟(4)保溫結(jié)束后，在氫氣氣氛保護(hù)下，以10-50°C /h的降溫速率降溫至室溫，出爐，即得一種Nd3+=Lu2O3半透明納米陶瓷。
上述的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷，其晶粒尺寸在300 800nm之間，經(jīng)阿基米德排水法檢測其致密度達(dá)到99. 5%以上，最終所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷呈半透明、不開裂，發(fā)射強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于氫氣氛1850°C燒結(jié)6h所得的普通微米陶瓷。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，由于采用了流動氫氣氛輔助的多步燒結(jié)致密化控制技術(shù)，因此無需高壓、高溫真空等復(fù)雜燒結(jié)設(shè)備，即在普通的氫氣爐中即可實(shí)現(xiàn)納米陶瓷的制備。進(jìn)一步，本發(fā)明的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，由于制備過程中不受復(fù)雜設(shè)備爐腔體積限制，可制備大尺寸的半透明納米陶瓷。 進(jìn)一步，本發(fā)明的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，由于制備過程同現(xiàn)有技術(shù)相比，因無需使用的石墨模具，燒結(jié)的納米陶瓷樣品不易受石墨滲碳污染，并且也不需高壓輔助，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷塊體致密、均勻，幾無應(yīng)力，因此最終所得的Nd3+ILu2O3半透明納米陶瓷具有不易開裂等優(yōu)點(diǎn)。


圖I是一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法的升溫曲線的示意 圖2a、實(shí)施例I用于制備Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉體的TEM顯微照片；
圖2b、實(shí)施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熱腐蝕表面的SEM顯微照片； 圖2c、實(shí)施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的AFM顯微照片；
圖2d、實(shí)施例2所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的斷口 SEM掃描圖片；
圖2e、實(shí)施例3所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熱腐蝕表面的SEM顯微照片；
圖2f、對照實(shí)施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷SEM掃描圖片；
圖3a、實(shí)施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熒光光譜；
圖3b、對照實(shí)施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷的熒光光譜；
圖4a、實(shí)施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷退火前的透過率曲線；
圖4b、實(shí)施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷退火后的透過率曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步闡述，但并不限制本發(fā)明。本發(fā)明的實(shí)施例中所用的氫氣爐為日本NEMS公司生產(chǎn)的FDB-14-19多功能氫氣爐；
真空爐為上海辰榮電爐有限公司制造的ZW-15-20型真空鎢絲電阻爐。本發(fā)明實(shí)施例中進(jìn)行測量所用的儀器
掃描電鏡，型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司；
突光儀，F(xiàn)luorolog-3型,法國Jobin Yvon公司生產(chǎn)。實(shí)施例I
一種Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟
(I )、Nd3+: Lu2O3初始納米粉體通過鋼模單向加壓成型后在200MPa下冷等靜壓壓制成型后置于真空爐中(10_3Pa)800°C預(yù)燒a后降至室溫，即得用于燒結(jié)Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉體的TEM顯微照片如圖2a所示，從圖2a中可以看出初始的釹離子摻雜氧化镥納米粉體晶粒發(fā)育完整、粒度分布均勻、一次顆粒尺寸約為 30nm ；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結(jié)Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣IOmin以排空爐腔中的空氣后，以30°C /min的升溫速率從室溫升溫至1400°C，保溫30min ；
(3)、步驟(2)保溫結(jié)束后，以15°C/min的升溫速率從1400°C升溫至1720°C，保溫15min ；
(4)、步驟(3)保溫結(jié)束后，斷電降溫至1620°C，流動氫氣氛下保溫18h；
(5)、步驟(4)保溫結(jié)束后，以10°C/min的降溫速率冷卻至室溫，出爐，即得Nd3+ = Lu2O3 半透明納米陶瓷。將上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷通過場發(fā)射掃描電鏡(型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司)進(jìn)行顯微觀察，獲得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熱腐蝕表面的SEM顯微照片如圖2b所示，從圖2b中可以看出所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷表面幾乎看不到氣孔，其晶粒尺寸的范圍在300-600nm之間。將上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷通過原子力顯微鏡(型號SPM_9600)進(jìn)行觀察，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的AFM顯微照片如圖2c，從圖2c中可以看出該納米陶瓷表面平整，平均晶粒尺寸約為400nm。上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷經(jīng)阿基米德排水法檢測其致密度達(dá)到99. 5%以上。實(shí)施例2
一種Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟
(I )、Nd3+: Lu2O3初始納米粉體通過鋼模單向加壓成型后在200MPa下冷等靜壓壓制成型后置于真空爐中(10_3Pa)500°C預(yù)燒a后降至室溫，即得用于燒結(jié)Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉體的TEM顯微照片如圖2a所示，從圖2a中可以看出初始的釹離子摻雜氧化镥納米粉體晶粒發(fā)育完整、粒度分布均勻、一次顆粒尺寸約為 30nm ；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結(jié)Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣IOmin以排空爐腔中的空氣后，以20°C /min的升溫速率從室溫升溫至1600°C，保溫15min ；
(3)、步驟(2)保溫結(jié)束后，以10°C/min的升溫速率從im°C升溫至1750°C，保溫30min ；
(4)、步驟(3)保溫結(jié)束后，斷電降溫至1700°C，流動氫氣氛下保溫6h;
(5)、步驟(4)保溫結(jié)束后，以50°C/min的將溫速率冷卻至室溫，出爐，即得Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷。上述所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的斷口通過場發(fā)射掃描電鏡(型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司)，所得的SEM斷口圖片見圖2d，從圖2d中可以看出晶粒呈沿晶斷裂，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷燒結(jié)體的晶粒比實(shí)施例I所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷燒結(jié)體的晶粒略大，晶粒尺寸范圍在500-800nm之間。實(shí)施例3
一種Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟
(I )、Nd3+: Lu2O3初始納米粉體通過鋼模單向加壓成型后在200MPa下冷等靜壓壓制成型后置于真空爐中(10_3Pa)600°C預(yù)燒a后降至室溫，即得用于燒結(jié)Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉體的TEM顯微照片如圖2a所示，從圖2a中可以看出初始的釹離子摻雜氧化镥納米粉體晶粒發(fā)育完整、粒度分布均勻、一次顆粒尺寸約為 30nm ；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結(jié)Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣IOmin以排空爐腔中的空氣后，以40°C /min的升溫速率從室溫升溫至1400°C，保溫30min ；
(3)、步驟(2)保溫結(jié)束后，以20°C/min的升溫速率從1400°C升溫至1700°C，保溫30min ；
(4)、步驟(3)保溫結(jié)束后，斷電降溫至1600°C，流動氫氣氛下保溫20h；
(5)、步驟(4)保溫結(jié)束后，以10°C/min的降溫速率冷卻至室溫，出爐，即得Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷。將上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷通過場發(fā)射掃描電鏡(型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司)進(jìn)行顯微觀察，獲得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熱腐蝕表面的SEM顯微照片如圖2e所示，從圖2e中可以看出所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷表面存在少量微氣孔，平均晶粒尺寸約為300nm，比實(shí)施例1、2的晶粒尺寸略小，主要是由于第一步和第二步的燒結(jié)溫度較低，晶粒發(fā)育不如實(shí)施例1、2的充分。對照實(shí)施例I
一種Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟
(I )、Nd3+: Lu2O3初始納米粉體通過鋼模單向加壓成型后在200MPa下冷等靜壓壓制成型后置于真空爐中(10_3Pa) 800°C預(yù)燒2h后降至室溫，即得用于燒結(jié)Nd3+ = Lu2O3陶瓷的素坯；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結(jié)Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣IOmin以排空爐腔中的空氣后，以10°C /min的升溫速率從室溫升溫至1850°C，保溫20h ；
(3)、步驟(2)保溫結(jié)束后，以50°C/min的將溫速率冷卻至室溫，出爐，即得Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷。上述所得的一種Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷通過場發(fā)射掃描電鏡(型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司)進(jìn)行觀察，其SEM掃描圖片如圖2f所示，從圖2f中可以看出晶粒平均晶粒尺寸在50 μ m左右。由于僅通過一步燒結(jié)，且燒結(jié)溫度過高(18500C )，保溫時間長(20h)，使得最終所得的陶瓷晶粒發(fā)育和長大充分，因此獲得了 Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷。通過熒光光譜儀分別對上述實(shí)施例I及對照實(shí)施例I所得的一種Nd3+:Lu2O3半透明納米陶瓷和微米陶瓷進(jìn)行熒光光譜測定，其結(jié)果分別見圖3a、圖3b所示，從圖3a、圖3b比較可以看出，在808nm半導(dǎo)體激發(fā)下，納米陶瓷的發(fā)射強(qiáng)度約為微米陶瓷發(fā)射強(qiáng)度的3倍;
通紫外可見分光光度計分別對上述實(shí)施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷退火前和退火后的透過率進(jìn)行測定，其結(jié)果分別見圖4a、圖4b所示，從圖4a、圖4b比較可以看出，退火后納米陶瓷的透過率有一定提升，在IlOOnm處達(dá)到35%。綜上所述，本發(fā)明的一種NcT = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備方法，由于氫氣氣氛和多步燒結(jié)技術(shù)的結(jié)合，因此能夠很容易地實(shí)現(xiàn)Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備。以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任 何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種NcT = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于在常壓、氫氣氣氛中將Nd3+ILu2O3素坯在1400°C -1750°C采用多步燒結(jié)后降至室溫即得Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷。
2.如權(quán)利要求I所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的多步燒結(jié)為三步燒結(jié)，具體如下 第一步燒結(jié)以20-40°C /min的升溫速度至140(Tl60(TC保溫，保溫15 30min ； 第二步燒結(jié)以10-20°C /min的升溫速度升溫至1700_1750°C，保溫15 30min ； 第三步燒結(jié)控制溫度為160(Tl70(TC，保溫6-20h。
3.如權(quán)利要求2所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于第二步燒結(jié)溫度為1700 1750°C。
4.如權(quán)利要求3所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的多步燒結(jié)為三步燒結(jié)，具體如下 第一步燒結(jié)以4011C /min的升溫速度至140(TC保溫,保溫30min ； 第二步燒結(jié)以20°C /min的升溫速度升溫至1720°C，保溫15min ； 第三步燒結(jié)控制溫度為1620°C，保溫18h。
5.如權(quán)利要求3所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的多步燒結(jié)為三步燒結(jié)，具體如下 第一步燒結(jié)以20°C /min的升溫速度至1600°C保溫,保溫15min ； 第二步燒結(jié)以10°C /min的升溫速度升溫至1750°C，保溫30min ； 第三步燒結(jié)控制溫度為1700°C，保溫6h。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的燒結(jié)氣氛為流動氫氣。
7.如權(quán)利要求6所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的Nd3+ = Lu2O3素坯為真空熱處理過的素坯，真空熱處理溫度為500 800°C保溫2h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Nd3+:Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，即在常壓、氫氣氣氛中將Nd3+:Lu2O3素坯在1400℃-1750℃采用多步燒結(jié)后降至室溫即得Nd3+:Lu2O3納米半透明陶瓷。本發(fā)明的一種Nd3+:Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，由于采用了流動氫氣氛輔助的多步燒結(jié)致密化控制技術(shù)，因此無需高壓、高溫、真空等復(fù)雜燒結(jié)設(shè)備，即在普通的氫氣爐中即可實(shí)現(xiàn)半透明納米陶瓷的制備，且制備的Nd3+:Lu2O3半透明納米陶瓷具有尺寸大、不易開裂等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C04B35/622GK102807368SQ20121031892
公開日2012年12月5日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月3日
發(fā)明者周鼎, 任玉英, 徐家躍, 金敏, 儲耀卿 申請人:上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院