專利名稱：一種透明陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透明陶瓷材料及其制備方法，具體說，是涉及一種鋯酸鑭釔透明陶瓷材料及其制備方法，屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
透明陶瓷兼有陶瓷材料固有的高強(qiáng)度、高絕緣、耐高溫、耐腐蝕等特性和玻璃材料的光學(xué)性能，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。相比單晶，透明陶瓷可以根據(jù)器件應(yīng)用要求較方便地實(shí)現(xiàn)高濃度離子的均勻摻雜，避免由于晶體生長(zhǎng)工藝限制所造成的摻雜濃度低、分布不均勻的狀況。另外，透明陶瓷的制備溫度遠(yuǎn)低于單晶的制備溫度，對(duì)于一些高熔點(diǎn)的材料尤其具有實(shí)際意義。研究表明， 某些透明陶瓷的性能已經(jīng)達(dá)到或超過單晶材料，并有望在一些特定場(chǎng)合逐步替代單晶光學(xué)材料。相對(duì)于玻璃材料，透明陶瓷具有耐高溫、熱導(dǎo)率高、硬度高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在某些特殊場(chǎng)合有其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有較高可見光透過率的新型透明陶瓷材料及其制備方法，為本領(lǐng)域增添一種新產(chǎn)品，以滿足信息探測(cè)、激光介質(zhì)、高溫視窗等領(lǐng)域?qū)ν该魈沾刹牧系男阅芤蟆閷?shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種透明陶瓷材料，為鋯酸鑭釔陶瓷，其化學(xué)式為L(zhǎng)aY&207。—種所述的透明陶瓷材料的制備方法，包括粉體制備、成型、燒結(jié)和退火熱處理步驟，其特征在于所述的粉體制備采用甘氨酸-硝酸鹽燃燒法；所述的成型采用注漿成型工藝或干壓結(jié)合冷等靜壓成型工藝。進(jìn)一步，采用甘氨酸-硝酸鹽燃燒法制備粉體的步驟如下按照& La Y的摩爾比為2 1 1稱取硝酸鋯、硝酸鑭和硝酸釔，配制成硝酸鹽水溶液；加入燃燒劑甘氨酸， 攪拌使完全溶解；調(diào)節(jié)溶液的PH值為3 5 ；加熱使發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)體粉體；對(duì)前驅(qū)體粉體進(jìn)行熱處理；球磨、篩分，即得鋯酸鑭釔粉體。所述硝酸鹽水溶液中的硝酸根離子的摩爾濃度推薦為0. 1 5mol/L，優(yōu)選為 0. 1 2mol/L。所述甘氨酸與硝酸根離子的摩爾比優(yōu)選為0.3 1 0.7 1。所述熱處理?xiàng)l件優(yōu)選為在1000 1200°C保溫2 4小時(shí)。進(jìn)一步，所述的注漿成型工藝包括如下步驟將制得的鋯酸鑭釔粉體以15 35Vol%的固含量分散于去離子水中，在pH = 8 10或pH = 3 5條件下加入分散劑，進(jìn)行攪拌、超聲分散、球磨、陳化處理，制得漿料；注漿成型；進(jìn)行干燥后脫模，即得鋯酸鑭釔陶瓷素坯。所述分散劑推薦為聚丙烯酸鹽或聚甲基丙烯酸鹽；優(yōu)選為聚丙烯酸銨、聚丙烯酸鈉、聚甲基丙烯酸銨或聚甲基丙烯酸鈉。所述分散劑的加入量?jī)?yōu)選為使其在溶液中的含量為0. 5 1. 5wt%。所述超聲分散的時(shí)間優(yōu)選為15 30分鐘。所述球磨時(shí)間優(yōu)選為6 12小時(shí)。所述陳化處理時(shí)間優(yōu)選為0. 5 8小時(shí)。所述干燥優(yōu)選為在15 ;35°C下干燥2 8小時(shí)后，再在40 70°C下干燥2 8 小時(shí)。進(jìn)一步，所述的干壓結(jié)合冷等靜壓成型工藝包括如下步驟先在5 20MI^下將制得的鋯酸鑭釔粉體干壓成型為素坯，再將所得素坯在 180 230MPa進(jìn)行冷等靜壓處理，即得鋯酸鑭釔陶瓷素坯。所述干壓成型和冷等靜壓處理均優(yōu)選在室溫下進(jìn)行。所述冷等靜壓處理的時(shí)間優(yōu)選為1 3分鐘。上述的鋯酸鑭釔粉體的平均粒徑優(yōu)選為50 lOOnm。進(jìn)一步，所述燒結(jié)的步驟如下將制得的鋯酸鑭釔陶瓷素坯先在1000 1200°C預(yù)燒2 4小時(shí)，然后在真空條件下于1800 1900°C燒結(jié)4 10小時(shí)。所述真空條件優(yōu)選真空度彡5. OX 10 .進(jìn)一步，所述退火熱處理的步驟如下將燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛中于1400 1600°C下保溫4 10小時(shí)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料經(jīng)過雙面拋光的Imm厚樣品在可見光波段的最大直線透過率可達(dá)75%以上，同時(shí)燒結(jié)致密度高，相對(duì)密度大于 99. 99%，可滿足在信息探測(cè)、激光介質(zhì)、高溫視窗等領(lǐng)域的應(yīng)用要求。另外，本發(fā)明的制備方法具有工藝簡(jiǎn)單，可控性好，無(wú)需燒結(jié)助劑，燒結(jié)條件相對(duì)較簡(jiǎn)單，易于操作和生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)ο


圖1為實(shí)施例1制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料的X射線衍射圖譜；圖2為實(shí)施例1制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料的透過率曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說明。實(shí)施例1a)粉體制備將0.4摩爾硝酸鋯(Zr(NO3)4 · 3H20,99.9 % )，0.2摩爾硝酸鑭 (La (NO3) 3，99. 99 % )與0. 2摩爾硝酸釔(Y (NO3) 3，99. 995 % )溶于IOOOmL去離子水中，配制成硝酸鹽水溶液；加入1. 6摩爾甘氨酸，攪拌使完全溶解；用氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為4 ；加熱使發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)體粉體；對(duì)前驅(qū)體粉體進(jìn)行熱處理在1000°C保溫4h ；球磨， 篩分，制得平均粒徑為50 IOOnm的鋯酸鑭釔納米粉體；b)成型采用干壓結(jié)合冷等靜壓成型工藝，即先在室溫、5MPa下將制得的鋯酸鑭釔納米粉體干壓成型為素坯，再將所得素坯在室溫、ISOMPa下進(jìn)行冷等靜壓處理3min，即得鋯酸鑭釔陶瓷素坯；
c)燒結(jié)將制得的鋯酸鑭釔陶瓷素坯先在1200°C預(yù)燒2小時(shí)，然后在真空度小于 5. OX 10_3Pa的真空條件下于1800°C燒結(jié)10小時(shí)；d)退火熱處理將燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛中于1600°C下保溫4小時(shí)，即得鋯酸鑭釔(LaY^2O7)透明陶瓷材料。圖1為本實(shí)施例制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料的X射線衍射圖譜，由圖1可見所制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料為缺陷態(tài)螢石結(jié)構(gòu)。圖2為本實(shí)施例制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷的透過率曲線圖，由圖2可見所制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料經(jīng)過雙面拋光的Imm厚樣品在IlOOnm處的最大直線透過率達(dá)到近 77% ；相對(duì)密度大于99. 99%。實(shí)施例2a)粉體制備將0. 2摩爾硝酸鋯(Zr (NO3) 4 · 3H20,99. 9 % )，0. 1摩爾硝酸鑭 (La (NO3) 3,99. 99% )與0. 1摩爾硝酸釔(Y (NO3)3,99. 995% )溶于500mL去離子水中，配制成硝酸鹽水溶液；加入0. 8摩爾甘氨酸，攪拌使完全溶解；用氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為4 ；加熱使發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)體粉體；對(duì)前驅(qū)體粉體進(jìn)行熱處理在120(TC保溫池；球磨， 篩分，制得平均粒徑為50 IOOnm的鋯酸鑭釔納米粉體；b)成型采用干壓結(jié)合冷等靜壓成型工藝，即先在室溫、20MPa下將制得的鋯酸鑭釔納米粉體干壓成型為素坯，再將所得素坯在室溫、230MPa下進(jìn)行冷等靜壓處理lmin， 即得鋯酸鑭釔陶瓷素坯；c)燒結(jié)將制得的鋯酸鑭釔陶瓷素坯先在100(TC預(yù)燒4小時(shí)，然后在真空度小于 5. OX 10_3Pa的真空條件下于1900°C燒結(jié)4小時(shí)；d)退火熱處理將燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛中于1400°C下保溫10小時(shí)，即得鋯酸鑭釔(LaY^2O7)透明陶瓷材料。本實(shí)施例制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料經(jīng)過雙面拋光的Imm厚樣品在SOOnm處的最大直線透過率達(dá)到75. 7 % ；相對(duì)密度大于99. 99 %。實(shí)施例3a)粉體制備將0.4摩爾硝酸鋯(Zr(NO3)4 · 3H20,99.9 % )，0.2摩爾硝酸鑭 (La (NO3) 3,99. 99% )與0. 2摩爾硝酸釔(Y (NO3)3,99. 995% )溶于800mL去離子水中，配制成硝酸鹽水溶液；加入1. 6摩爾甘氨酸，攪拌使完全溶解；用氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為4 ；加熱使發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)體粉體；對(duì)前驅(qū)體粉體進(jìn)行熱處理在120(TC保溫池；球磨， 篩分，制得平均粒徑為50 IOOnm的鋯酸鑭釔納米粉體；b)成型采用注漿成型工藝，即將制得的鋯酸鑭釔粉體以15ν01%的固含量分散于去離子水中，在PH = 9時(shí)加入分散劑聚丙烯酸銨，分散劑的加入量使其在溶液中的含量為0. 5wt% ；攪拌，超聲分散15分鐘，球磨12小時(shí)，陳化1小時(shí)，制得分散性及流動(dòng)性較好的漿料；注漿成型；在25°C下干燥5小時(shí)后，再在55°C下干燥5小時(shí)；脫模，即得鋯酸鑭釔陶瓷素坯；c)燒結(jié)將制得的鋯酸鑭釔陶瓷素坯先在100(TC預(yù)燒4小時(shí)，然后在真空度小于 5. OX 10_3Pa的真空條件下于1900°C燒結(jié)4小時(shí)；d)退火熱處理將燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛中于1400°C下保溫10小時(shí)，即得鋯酸鑭釔(LaY^2O7)透明陶瓷材料。
本實(shí)施例制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料經(jīng)過雙面拋光的Imm厚樣品在SOOnm處的最大直線透過率達(dá)到75. 5 % ；相對(duì)密度大于99. 99 %。實(shí)施例4a)粉體制備將0. 2摩爾硝酸鋯(Zr (NO3) 4 · 3H20,99. 9 % )，0. 1摩爾硝酸鑭 (La (NO3) 3,99. 99% )與0. 1摩爾硝酸釔(Y (NO3)3,99. 995% )溶于500mL去離子水中，配制成硝酸鹽水溶液；加入0. 8摩爾甘氨酸，攪拌使完全溶解；用氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為4 ；加熱使發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)體粉體；對(duì)前驅(qū)體粉體進(jìn)行熱處理在1000°C保溫4h ；球磨， 篩分，制得平均粒徑為50 IOOnm的鋯酸鑭釔納米粉體；b)成型采用注漿成型工藝，即將制得的鋯酸鑭釔粉體以35ν01%的固含量分散于去離子水中，在pH = 4時(shí)加入分散劑聚甲基丙烯酸銨，分散劑的加入量使其在溶液中的含量為1. 5wt% ；攪拌，超聲分散30分鐘，球磨6小時(shí)，陳化8小時(shí)，制得分散性及流動(dòng)性較好的漿料；注漿成型；在20°C下干燥6小時(shí)后，再在50°C下干燥6小時(shí)；脫模，即得鋯酸鑭釔陶瓷素坯；c)燒結(jié)將制得的鋯酸鑭釔陶瓷素坯先在1200°C預(yù)燒2小時(shí)，然后在真空度小于 5. OX 10_3Pa的真空條件下于1800°C燒結(jié)10小時(shí)；d)退火熱處理將燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛中于1600°C下保溫4小時(shí)，即得鋯酸鑭釔(LaY^2O7)透明陶瓷材料。本實(shí)施例制得的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料經(jīng)過雙面拋光的Imm厚樣品在SOOnm處的最大直線透過率達(dá)到75. 3 % ；相對(duì)密度大于99. 99 %。最后有必要在此指出的是以上實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種透明陶瓷材料，其特征在于為鋯酸鑭釔陶瓷，其化學(xué)式為L(zhǎng)aY&207。
2.—種權(quán)利要求1所述的透明陶瓷材料的制備方法，包括粉體制備、成型、燒結(jié)和退火熱處理步驟，其特征在于所述的粉體制備采用甘氨酸-硝酸鹽燃燒法；所述的成型采用注漿成型工藝或干壓結(jié)合冷等靜壓成型工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于，采用甘氨酸-硝酸鹽燃燒法制備粉體的步驟如下按照& La Y的摩爾比為2 1 1稱取硝酸鋯、硝酸鑭和硝酸釔，配制成硝酸鹽水溶液；加入燃燒劑甘氨酸，攪拌使完全溶解；調(diào)節(jié)溶液的PH值為 3 5 ；加熱使發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)體粉體；對(duì)前驅(qū)體粉體進(jìn)行熱處理；球磨、篩分，即得鋯酸鑭釔粉體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述硝酸鹽水溶液中的硝酸根離子的摩爾濃度為0. 1 5mol/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述甘氨酸與硝酸根離子的摩爾比為0.3 1 0. 7 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述熱處理?xiàng)l件為 在1000 1200°C保溫2 4小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述的注漿成型工藝包括如下步驟將制得的鋯酸鑭釔粉體以15 35ν01%的固含量分散于去離子水中，在 pH = 8 10或pH = 3 5條件下加入分散劑，進(jìn)行攪拌、超聲分散、球磨、陳化處理，制得漿料；注漿成型；進(jìn)行干燥后脫模，即得鋯酸鑭釔陶瓷素坯。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述分散劑為聚丙烯酸鹽或聚甲基丙烯酸鹽。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述分散劑為聚丙烯酸銨、聚丙烯酸鈉、聚甲基丙烯酸銨或聚甲基丙烯酸鈉。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述分散劑的加入量要使其在溶液中的含量為0. 5 1. 5wt%。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述超聲分散的時(shí)間為15 30分鐘，所述球磨時(shí)間為6 12小時(shí)，所述陳化處理時(shí)間為0. 5 8小時(shí)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述干燥是先在 15 ;35°C下干燥2 8小時(shí)，然后在40 70°C下干燥2 8小時(shí)。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述的干壓結(jié)合冷等靜壓成型工藝包括如下步驟先在5 20MPa下將制得的鋯酸鑭釔粉體干壓成型為素坯， 再將所得素坯在180 230MPa進(jìn)行冷等靜壓處理，即得鋯酸鑭釔陶瓷素坯。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述干壓成型和冷等靜壓處理均在室溫下進(jìn)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述冷等靜壓處理的時(shí)間為1 3分鐘。
16.根據(jù)權(quán)利要求3、7或13所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的鋯酸鑭釔粉體的平均粒徑為50 lOOnm。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)的步驟如下將制得的鋯酸鑭釔陶瓷素坯先在1000 1200°C預(yù)燒2 4小時(shí)，然后在真空條件下于 1800 1900°C燒結(jié)4 10小時(shí)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述真空條件為真空度彡5. OXlO-3Pa0
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述退火熱處理的步驟如下將燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛中于1400 1600°C下保溫4 10小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透明陶瓷材料及其制備方法。所述透明陶瓷材料為鋯酸鑭釔陶瓷，其化學(xué)式為L(zhǎng)aYZr2O7。所述材料的制備方法包括粉體制備、成型、燒結(jié)和退火熱處理步驟，所述的粉體制備采用甘氨酸-硝酸鹽燃燒法；所述的成型采用注漿成型工藝或干壓結(jié)合冷等靜壓成型工藝。本發(fā)明提供的鋯酸鑭釔透明陶瓷材料經(jīng)過雙面拋光的1mm厚樣品在可見光波段的最大直線透過率可達(dá)75％以上，同時(shí)燒結(jié)致密度高，相對(duì)密度大于99.99％，可滿足在信息探測(cè)、激光介質(zhì)、高溫視窗等領(lǐng)域的應(yīng)用要求。另外，本發(fā)明的制備方法具有工藝簡(jiǎn)單，可控性好，無(wú)需燒結(jié)助劑，燒結(jié)條件相對(duì)較簡(jiǎn)單，易于操作和生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102515752SQ201110431439
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者周國(guó)紅, 易海蘭, 楊燕, 王士維, 鄒小慶 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所