[发明专利]镧锆共掺稀土倍半氧化物透明陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及特种光功能陶瓷，特别是一种镧锆共掺稀土倍半氧化物透明陶瓷及其制备方法。

背景技术

Y、Lu、Sc、Gd等稀土元素的倍半氧化物材料因其优异的机械性能，高的化学稳定性，高的热导率，低的声子能量，宽的透过光谱，及其光学各向同性，一直被认为是潜力巨大的新型激光器工作介质材料、红外窗口材料以及弧光放电灯管材料。尤其是作为激光器工作介质使用时，其低的声子能量和高的热导率可以极大提高激光器的工作稳定性和量子效率。然而这些氧化物熔点高，有的还易发生高温相变，使用传统提拉法无法得到高质量单晶。采用透明陶瓷烧结方法制备稀土倍半氧化物透明陶瓷因而成为一种前景诱人的解决方案。日本电气通信大学与神岛化工公司合作于2001年在低于熔点700℃的温度下烧结出Nd:Y₂O₃透明陶瓷材料，并于2002年采用类似的方法制备出Yb:Y₂O₃透明陶瓷材料同时获得激光输出。同时，其他稀土倍半氧化物透明陶瓷材料的烧结方法也在不断被研究。如Hideki等人申请的美国专利6825144中提出了多种稀土倍半氧化物透明陶瓷的制备方法。透明陶瓷的制备绕过了其同质单晶生长困难的问题，并且和单晶生长相比，其生产周期短，能耗低，成本小，产量大，易于大尺寸化，拥有无可比拟的优势。

在透明陶瓷的制备工艺中，高质量的初始粉末及严格精密的烧结工艺是关键之处。采用各种湿化学法或固相球磨法均可获得高质量的初始粉体。固相球磨法工艺简单，产量可观，引入杂质较少，通过控制合适的球磨速度及球磨时间，选择合适的分散介质，添加有效适量的分散剂，可以获得混合均匀，粒度细小的初始粉体，且适合大批量生产。更优的，可采用尿素沉淀法获得粉体，该法获得的粉体粒径可控且分布均匀，形貌规整一致，相对其他液相法而言，该法工艺简单，且杂质引入极少，同样适合批量生产。公开号为CN101698609A的中国专利中提出采用尿素沉淀法制备球形单尺寸单分散氧化钇颗粒的方法，然而专利中并没有提到镧锆共掺稀土倍半氧化物(包括氧化钇)粉体的解决方案。

在烧结工艺方面，要获得晶粒大小均匀、尺度适中、无气孔的透明陶瓷材料，除了要精确控制合理的烧结制度外，还要选择有效的烧结助剂，在促进烧结，加速气孔排除的同时，又能一定程度地抑制晶粒长大。长久以来，人们一直没有找到专门适用于稀土倍半氧化物陶瓷材料的效果优异的烧结助剂。如上述Hideki等人申请的美国专利6825144中提出用极微量Al₂O₃作为烧结助剂可获得透明度良好的倍半氧化物，然而该烧结助剂的实用效果一直受到质疑；美国专利4115134及公开号为CN101148357A的中国专利中提出采用La₂O₃作为烧结助剂，可以获得透明度良好的氧化钇基质陶瓷，该陶瓷气孔率极低，透过率高，然其晶粒过大，且粒径分布不均，影响陶瓷的激光性能；公开号为CN101665356A的中国专利中提出采用ZrO₂作为烧结助剂，通过Zr⁴⁺离子抑制烧结的方法控制晶粒长大，可以获得透过率较高，晶粒大小适中且分布均匀的透明陶瓷，然其微结构中存在无法彻底排除的气孔，影响透明陶瓷性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种镧锆共掺稀土倍半氧化物透明陶瓷及其制备方法，该透明陶瓷透过率高，气孔率低，晶粒大小适中，且分布单一。

其技术解决方案如下：

一种镧锆共掺稀土倍半氧化物透明陶瓷，其特点在于该透明陶瓷的化学式为R_(2-2X-2Y-2Z)La_2xZr_2yLn_2zO₃，其中，0.01≤x≤0.2，0.001≤y≤0.06，0≤z≤0.1，R指常用作掺杂基质使用的稀土元素Y、Lu、Sc、Gd中的一种，Ln指常用作激活离子使用的镧系元素Nd、Tm、Ho、Er、Yb、Tb、Pr中的一种或几种的组合。

所述镧锆共掺稀土倍半氧化物透明陶瓷的制备方法，该方法包括如下步骤：

①选定化学式R_(2-2X-2Y-2Z)La_2xZr_2yLn_2zO₃中R和Ln指代的元素及x、y、z的取值，其中R为Y、Lu、Sc、Gd中的一种，Ln为Nd、Tm、Ho、Er、Yb、Tb、Pr中的一种或几种的组合；