[发明专利]一种具有核壳结构的氧化钇基透明陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化钇基透明陶瓷及其制备方法，尤其是具有核壳结构的氧化钇基透明陶瓷及其制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

氧化钇是立方晶系晶体，具有光学各向同性的性质，所以其具有优良的透光性能，并且具有熔点高、化学和光化学稳定性好、光学透明性范围较宽(0.23～8.0 μm)等优点；其声子能量低，一定程度上可以抑制无辐射跃迁，提高辐射跃迁的几率，从而提高发光量子效率；易实现稀土离子的掺杂进行改性；热导率高，是作为固体激光介质材料的重要基质材料。氧化钇透明陶瓷在宽广的频率范围内，特别是在红外区域，具有80%以上的理论透过率，因此这种材料常被用作各种检测设备和能源窗口。由于其耐火度高，还可作高温炉的观察窗以及透镜。此外，氧化钇透明陶瓷可用于微波基片、耐磨表面材料、红外发生器管、天线罩等，在半导体行业具有潜在应用价值，有些已获得实际应用。

但是，Y₂O₃的熔融温度高达2430℃，在2280℃时还会发生立方相向六方相的多晶相变，因此采用传统提拉法很难生长Y₂O₃单晶。采用传统陶瓷工艺，可以在远低于Y₂O₃熔点的温度制备透明陶瓷，节省了生产成本，提高了生产效率，更重要的是陶瓷制备工艺容易实现激活离子的高掺杂，可以极大的提高激光输出功率，从而使高熔点氧化物用作光学介质和激光介质成为可能。氧化钇透明陶瓷的烧结温度一般在2000℃以上，采用真空烧结和纳米粉体制备技术后，烧结温度降到1700℃，比它的熔融温度低700℃。对于Y₂O₃基透明陶瓷的研究中发现，La³⁺和Zr⁴⁺的掺杂能有效改善Y₂O₃基透明陶瓷的烧结性能，并且也具有良好的激光光谱性能。但是陶瓷是多晶的，其晶界、气孔和晶格的不完整性等都会增加光的散射损失及材料的不透明性。所以烧结助剂的掺杂浓度增高会造成透明性的降低，特别是不同价态离子的掺杂会造成非常大的晶格畸变，都对其透明性提出了非常高的挑战。因此，在保持Y₂O₃基透明陶瓷良好的化学和光化学性能的前提下，降低烧结助剂的掺杂浓度，同时保持良好的烧结性能，并提高氧化钇基透明陶瓷的直线透过率，是氧化钇透明陶瓷更为广泛应用的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有核壳结构的氧化钇基透明陶瓷及其制备方法，通过核壳结构的实现使氧化钇基陶瓷具有较低的烧结温度、较高的致密度，以及较小的晶格畸变，从而获得优良的透光性能。

本发明的具有核壳结构的氧化钇基透明陶瓷，其特征在于陶瓷晶粒的核层为Y₂O₃相、壳层为(Y_1-x-yLa_xM_y)₂O₃相，其中0.01 ≤ x ≤ 0.1，0 ≤ y ≤ 0.1，M为Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg中的一种或几种，壳层物质与核层物质的摩尔比为0.01～0.2:1。

本发明的具有核壳结构的氧化钇基透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)按壳层组成物中各元素的比例，将钇的化合物、镧的化合物以及M元素的化合物同时溶解在去离子水中，使混合物在去离子水中的浓度为0.01～1 mol/l，搅拌混合均匀得到混合溶液；

(2)按核层物质的量称取Y₂O₃粉体，放入球磨罐中，同时将上述步骤(1)制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化锆球为磨介，球磨混合4～24小时，随后将混合物进行喷雾干燥，除掉去离子水；

(3)将喷雾干燥后获得的粉体放入模具中，在10～40 MPa的压力下成型，然后升温到900～1300 ℃保温4～8小时，冷却后再放入等静压机中，在150～300 MPa下进行等静压；

(4)将等静压后的产物放在真空炉中，在1550～1750 ℃保温4～24小时，得到具有核壳结构的氧化钇基透明陶瓷。

本发明中，所述的钇的化合物为硝酸钇、氯化钇和醋酸钇中的一种或几种；所述的镧的化合物为硝酸镧、氯化镧和醋酸镧中的一种或几种；所述的M元素的化合物为硝酸锆、醋酸锆、钛酸四丁酯、硝酸钛、硝酸锰、醋酸锰、硝酸铝、醋酸铝、硝酸钙、醋酸钙、硝酸锌、醋酸锌、硝酸镁和醋酸镁中的一种或几种；