一種透明光學(xué)陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種透明光學(xué)陶瓷制備方法，屬于光學(xué)陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]一般陶瓷是不透明的，但是光學(xué)陶瓷像玻璃一樣透明，故稱透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其內(nèi)部存在有雜質(zhì)和氣孔，前者能吸收光，后者令光產(chǎn)生散射，所以就不透明了。因此如果選用高純?cè)?，并通過(guò)工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。具有光學(xué)性能的陶瓷稱為光學(xué)陶瓷，光學(xué)陶瓷不僅有透光性還有耐熱性、耐腐蝕性、光傳輸、及變色現(xiàn)象等性能。
[0003]自從1957年美國(guó)陶瓷學(xué)家Coble制造出第一塊透明氧化鋁陶瓷“Lucalox”，透明陶瓷經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，到目前已經(jīng)研制出了幾十種透明陶瓷。近年來(lái)，由于原料粉末的高純化、高微粒化、高均勻化及熱壓等燒結(jié)技術(shù)的不斷進(jìn)步，開發(fā)出了透光性好的氧化物陶瓷。目前研究最多的就是以透明氧化鋁為代表的氧化物陶瓷(如氧化鎂、氧化鋯、氧化鑭等)，另外還有一些多種氧化物組成的陶瓷，如尖晶石(氧化鎂與氧化鋁組成)，鋯鈦酸鉛鑭，透明鐵電陶瓷(由氧化鉛、氧化鋯、氧化釷和氧化鑭組成)，常以PLTZ表示。此外，還有許多能透過(guò)各種不同波段紅外線陶瓷，如氟化鎂陶瓷、硫化鋅陶瓷、砸化鋅陶瓷、碲化鎘陶瓷。這些陶瓷不僅能透光，而且硬度大、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，甚至能經(jīng)受強(qiáng)輻射。某些透光陶瓷還有鐵電性、順磁性等。因此透明陶瓷的應(yīng)用極為廣泛。
[0004]隨著先進(jìn)無(wú)機(jī)材料制備方法的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，透明光學(xué)陶瓷越來(lái)越顯現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛。除了陶瓷材料固有的耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強(qiáng)度等特性，又具有玻璃的光學(xué)性能，可用于制造光學(xué)透鏡、紅外濾光鏡、高溫透光鏡等光學(xué)元件。根據(jù)透明陶瓷的用途和功能可將透明陶瓷分為透明結(jié)構(gòu)陶瓷和透明功能陶瓷，透明結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于高壓鈉光燈管、高溫透視窗等方面，包括氧化鋁、氧化釔、氧化鋯、氧化鎂及尖晶石透明陶瓷等結(jié)構(gòu)材料，比如尖晶石透明陶瓷可用作超高速飛機(jī)的擋風(fēng)板，高級(jí)轎車防炸彈瞄準(zhǔn)器，坦克觀窗等。透明功能陶瓷包括:電光透明陶瓷(PLZT)、激光透明陶瓷(Nd:YAG)、閃爍透明陶瓷(YGO、GGG、Gd202S)等。
[0005]要使陶瓷具有透光性，就應(yīng)該從工藝上消除對(duì)光的散射的各種因素，綜合下來(lái)應(yīng)具備:(1)致密度要高；(2)晶介上不存在空隙，如有空隙，其大小比波長(zhǎng)應(yīng)小得多；(3)晶粒較小而且均勻，氣孔率很低；⑷表面光潔度高；(5)晶體對(duì)入射光的選擇吸收很小。大尺寸的單晶材料生長(zhǎng)需要特殊的昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的工藝，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高、廢品率高。特別對(duì)于具有復(fù)雜摻雜狀態(tài)的新型光功能材料，傳統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)技術(shù)難以保證摻雜離子的高純度和均勻分布。因此，制備工藝對(duì)于陶瓷的透明性有很大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提供一種透明光學(xué)陶瓷制備方法，由氧化釔摻雜氧化鋯制備而成。本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷的制備工藝如下:
[0007](1)粉體制備:取5-10ml氨水、200_250ml濃度為0.5-lmol/L的碳酸氫銨溶液均勻于500ml梨形漏斗中，滴定到盛有10-20ml濃度為0.5-lmol/L的硝酸釔溶液和70_80ml濃度為l-2mol/L的硝酸鋯溶液的燒杯中，同時(shí)劇烈攪拌、滴定速度大約3-5ml/min，滴定重點(diǎn)的pH值控制為8-9之間，滴定結(jié)束后繼續(xù)攪拌20-30min，將沉淀前驅(qū)體室溫陳化l_2d，陳化完畢后用去離子水洗滌2-4次，真空栗抽濾，將洗滌后的沉淀前驅(qū)體置于70-80°C的烘箱中干燥10-20h。然后于800-1300°C煅燒l_5h，獲得的粉體粒徑為20_40nm，并且粒徑分布窄、基本無(wú)團(tuán)聚、顆粒近乎球型。
[0008](2)成型:粉體成型采用鋼模雙向壓制，于10_50Mpa干壓成型，后于200_300Mpa
等靜壓成型。
[0009](3)燒結(jié):成型后的坯料于流動(dòng)的氫氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1800-2000°C，保溫時(shí)間3-9h，即可獲得本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷。
[0010]本發(fā)明所具有的有益效果:
[0011]1、由于氧化鋯在室溫下是穩(wěn)定的單斜晶體，在1100°C左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄w，這種轉(zhuǎn)變伴有很大的體積變化，幾乎使體積減少9%，當(dāng)溫度冷卻下來(lái)又發(fā)生一次體積膨脹，致使氧化鋯體內(nèi)應(yīng)力大到足以引起斷裂，二進(jìn)行氧化釔摻雜后，則會(huì)生成立方晶體，且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的。因此使得本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷具有較高的強(qiáng)度。
[0012]2、本發(fā)明合成的粉體是通過(guò)采用氨水加碳酸氫銨作為符合沉淀劑，碳酸根粒子的存在可獲得具有低團(tuán)聚、粒度分布窄、形貌近乎球型、燒結(jié)活性高等特性的粉體。
[0013]3、常壓氫氣氛燒結(jié)可獲得高度致密透明的光學(xué)陶瓷。
[0014]4、本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷的制備工藝簡(jiǎn)單，操作方便。
具體實(shí)施例
[0015]下列實(shí)施實(shí)例是對(duì)發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不僅限于此。
[0016]實(shí)施例1
[0017](1)粉體制備:取5ml氨水、200ml濃度為lmol/L的碳酸氫錢溶液均勻于500ml梨形漏斗中，滴定到盛有12ml濃度為lmol/L的硝酸乾溶液和80ml濃度為lmol/L的硝酸錯(cuò)溶液的燒杯中，同時(shí)劇烈攪拌、滴定速度大約3ml/min，滴定重點(diǎn)的pH值控制為8之間，滴定結(jié)束后繼續(xù)攪拌30min，將沉淀前驅(qū)體室溫陳化1.5d，陳化完畢后用去離子水洗滌4次，真空栗抽濾，將洗滌后的沉淀前驅(qū)體置于80°C的烘箱中干燥10h。然后于1200°C煅燒4h，獲得的粉體粒徑為40nm，并且粒徑分布窄、基本無(wú)團(tuán)聚、顆粒近乎球型。
[0018](2)成型:粉體成型采用鋼模雙向壓制，于50Mpa干壓成型，后于300Mpa等靜壓成型。
[0019](3)燒結(jié):成型后的坯料于流動(dòng)的氫氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度2000°C，保溫時(shí)間9h，即可獲得本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷。
[0020]實(shí)施例2
[0021](1)粉體制備:取8ml氨水、220ml濃度為0.5mol/L的碳酸氫銨溶液均勻于500ml梨形漏斗中，滴定到盛有15ml濃度為0.5mol/L的硝酸釔溶液和75ml濃度為2mol/L的硝酸鋯溶液的燒杯中，同時(shí)劇烈攪拌、滴定速度大約4ml/min，滴定重點(diǎn)的pH值控制為9之間，滴定結(jié)束后繼續(xù)攪拌20min，將沉淀前驅(qū)體室溫陳化ld，陳化完畢后用去離子水洗滌2次，真空栗抽濾，將洗滌后的沉淀前驅(qū)體置于75°C的烘箱中干燥20h。然后于800°C煅燒5h，獲得的粉體粒徑為30nm，并且粒徑分布窄、基本無(wú)團(tuán)聚、顆粒近乎球型。
[0022](2)成型:粉體成型采用鋼模雙向壓制，于20Mpa干壓成型，后于250Mpa等靜壓成型。
[0023](3)燒結(jié):成型后的坯料于流動(dòng)的氫氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1800°C，保溫時(shí)間6h，即可獲得本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷。
[0024]實(shí)施例3
[0025](1)粉體制備:取10ml氨水、250ml濃度為0.6mol/L的碳酸氫銨溶液均勻于500ml梨形漏斗中，滴定到盛有10ml濃度為0.8mol/L的硝酸釔溶液和70ml濃度為1.5mol/L的硝酸鋯溶液的燒杯中，同時(shí)劇烈攪拌、滴定速度大約3ml/min，滴定重點(diǎn)的pH值控制為8之間，滴定結(jié)束后繼續(xù)攪拌25min，將沉淀前驅(qū)體室溫陳化1.5d，陳化完畢后用去離子水洗滌3次，真空栗抽濾，將洗滌后的沉淀前驅(qū)體置于70°C的烘箱中干燥15h。然后于1300°C煅燒3h，獲得的粉體粒徑為20nm，并且粒徑分布窄、基本無(wú)團(tuán)聚、顆粒近乎球型。
[0026](2)成型:粉體成型采用鋼模雙向壓制，于lOMpa干壓成型，后于200Mpa等靜壓成型。
[0027](3)燒結(jié):成型后的坯料于流動(dòng)的氫氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1900°C，保溫時(shí)間8h，即可獲得本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷。
[0028]實(shí)施例4
[0029](1)粉體制備:取7ml氨水、200ml濃度為0.8mol/L的碳酸氫銨溶液均勻于500ml梨形漏斗中，滴定到盛有20ml濃度為lmol/L的硝酸釔溶液和80ml濃度為1.2mol/L的硝酸鋯溶液的燒杯中，同時(shí)劇烈攪拌、滴定速度大約5ml/min，滴定重點(diǎn)的pH值控制為9之間，滴定結(jié)束后繼續(xù)攪拌30min，將沉淀前驅(qū)體室溫陳化2d，陳化完畢后用去離子水洗滌4次，真空栗抽濾，將洗滌后的沉淀前驅(qū)體置于80°C的烘箱中干燥18h。然后于1300°C煅燒lh，獲得的粉體粒徑為40nm，并且粒徑分布窄、基本無(wú)團(tuán)聚、顆粒近乎球型。
[0030](2)成型:粉體成型采用鋼模雙向壓制，于40Mpa干壓成型，后于300Mpa等靜壓成型。
[0031](3)燒結(jié):成型后的坯料于流動(dòng)的氫氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度2000°C，保溫時(shí)間3h，即可獲得本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種透明光學(xué)陶瓷制備方法，包括粉體制備、成型和燒結(jié)步驟，其特征在于:其粉體制備步驟如下:取5-10ml氨水、200-250ml濃度為0.5-lmol/L的碳酸氫錢溶液均勻于500ml梨形漏斗中，滴定到盛有10-20ml濃度為0.5-lmol/L的硝酸釔溶液和70_80ml濃度為l-2mol/L的硝酸鋯溶液的燒杯中，同時(shí)劇烈攪拌、滴定速度大約3-5ml/min，滴定重點(diǎn)的pH值控制為8-9之間，滴定結(jié)束后繼續(xù)攪拌20-30min，將沉淀前驅(qū)體室溫陳化l_2d，陳化完畢后用去離子水洗滌2-4次，真空栗抽濾，將洗滌后的沉淀前驅(qū)體置于70-80°C的烘箱中干燥10-20h ;然后于煅燒，獲得的粉體粒徑為20-40nm，并且粒徑分布窄、基本無(wú)團(tuán)聚、顆粒近乎球型。2.如權(quán)利要求1的一種透明光學(xué)陶瓷制備方法，其特征在于:所述的煅燒在800-1300°C下煅燒 l_5h。3.如權(quán)利要求1的一種透明光學(xué)陶瓷制備方法，其特征在于:其燒結(jié)步驟如下:粉體成型采用鋼模雙向壓制，干壓、靜壓成型。4.如權(quán)利要求3的一種透明光學(xué)陶瓷制備方法，其特征在于:所述的干壓、靜壓成型為先在10_50Mpa條件下干壓成型，后于200_300Mpa等靜壓成型。5.如權(quán)利要求1的任意一種透明光學(xué)陶瓷制備方法，其特征在于:燒結(jié)步驟如下:成型后的坯料于流動(dòng)的氫氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)，保溫時(shí)間3-9h，即可獲得本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷。6.如權(quán)利要求5—種的透明光學(xué)陶瓷制備方法，其特征在于:所述的在氫氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)燒結(jié)溫度為1800-2000°C。
【專利摘要】一種透明光學(xué)陶瓷制備方法，屬于光學(xué)陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明制備過(guò)程中合成的粉體通過(guò)采用氨水加碳酸氫銨作為符合沉淀劑，碳酸根粒子的存在可獲得具有低團(tuán)聚、粒度分布窄、形貌近乎球型、燒結(jié)活性高等特性的粉體，因此使得本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷具有較高的強(qiáng)度。常壓氫氣氛燒結(jié)可獲得高度致密透明的光學(xué)陶瓷。本發(fā)明透明光學(xué)陶瓷的制備工藝簡(jiǎn)單，操作方便。
【IPC分類】C04B35/48, C04B35/626
【公開號(hào)】CN105294100
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510831023
【發(fā)明人】冉德煥
【申請(qǐng)人】濟(jì)南昊澤環(huán)保科技有限公司
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年11月25日