[发明专利]一种凝胶注模成型制备YAG透明陶瓷的方法

说明书

本发明属于透明陶瓷成型和制造工艺技术领域，具体涉及一种凝胶注模成型制备YAG透明陶瓷的方法。该方法采用Isobam作为分散剂和凝胶剂，同时采用齐格勒‑纳塔催化剂体系(Ziegler‑Natta catalyst)、过硫酸铵‑四甲基乙二胺(APS‑TEMED)催化体系和2，2‑偶氮[2‑(2‑咪唑啉‑2‑基)丙烷]盐酸盐(AZIP·2HCl)催化体系中的一种来控制凝胶速率，缩短凝胶成型时间。

技术领域

本发明属于透明陶瓷成型和制造工艺技术领域，具体涉及一种凝胶注模成型制备YAG透明陶瓷的方法。

背景技术

钇铝石榴石(简称YAG)具有立方结构，无双折射效应，高温蠕变小，光学性质和力学性能优异，广泛应用于激光器基质增益材料，还可用于制作高温可见光和红外窗口。与YAG单晶体相比，YAG透明陶瓷可以满足制备大功率激光器所需的大尺寸和更高的掺杂浓度，因此在取代YAG单晶方面已显示出良好的应用前景。YAG透明陶瓷的制备包括制粉，成型，烧结和机械加工等过程。其中成型工序的目的是获得高密度、分布均匀且有一定强度的致密坯体。因此成型方法已经成为高性能陶瓷制备中的一个关键环节。陶瓷成型方法有很多种，但总体归纳起来可分为干法成型和湿法成型两种。依据不同粉料的自身要求选取不同的成型方法。在20世纪90年代，美国橡树岭国家重点实验室(Oak Ridge NationalLaboratory,ORNL)的Janney、Omatete等人提出了一种新的近净尺寸成型(Near-Net-Shaping)技术——凝胶注模成型就是湿法成型中典型的原位凝固成型，它是通过聚合反应(In-situ polymerization)形成的高分子网络固定住粉体颗粒，制备得到高强度的陶瓷素坯。与其他成型技术相比较，凝胶注模成型技术具有如下优点：可实现近净尺寸成型，可制备形状复杂的部件，素坯结构均匀机械强度高。因此，该凝胶注成型技术自提出至今的二十多年时间里，凝胶注模成型技术得到了充分地发展。一部分的工作致力于现有的凝胶体系在各种材料和不同领域里的应用，另一部分的研究工作针对基于自由基聚合的凝胶体系固有的不足，发展新型凝胶体系。

在新型凝胶体系研发上，日本可乐丽(Kuraray)株式会社研发出一种水溶性共聚物Isobam，它是异丁烯与马来酸酐的交替共聚物(Alternative copolymer ofisobutylene and maleic Anhydride)，是一种可溶于碱性水溶液的白色粉末状聚合物。在凝胶注模成型过程中只需添加少量，既作为分散剂又作为交联剂。研究文献1(XianpengQin,Guohong Zhou,Yan Yang,et al.Gelcasting of transparent YAG ceramics by anew gelling system[J].Ceramics International,2014,40:12745-12750)指出通过优化工艺，在68wt％固含量和0.3wt％Isobam含量情况下，可以制备出厚度为7.5mm的YAG透明陶瓷，它在波长为1000nm和400nm处的透光率分别为82.3％和79.2％。舒夏等人(舒夏等.水溶性共聚物为交联剂的凝胶注成型AIN陶瓷的研究[J].无机材料学报，2014,29(3)：327-330)通过采用Isobam作为交联剂添加到AIN陶瓷浆料中，可在室温空气中自发凝胶成型，制备出鳍状，高热导率的AIN陶瓷。王锋等人(王锋等.凝胶浇注结合固相烧结制备具有多级孔结构的碳化硅陶瓷[J].无机材料学报，2014,31(3)：305-310)以Isobam作为交联剂,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为泡沫稳定剂和造孔剂,结合固相烧结制备出具有多级孔结构的碳化硅陶瓷,并研究了PMMA添加量、球磨机转速以及烧结温度对多孔陶瓷结构及性能的影响。

可见这种凝胶体系能满足制备高致密度陶瓷素坯的需求，同时其原料无毒，对环境友好，添加种类和用量都较少，操作简便，易于投入大规模工业生产。然而，目前此种凝胶体系在自然环境干燥下需要5至7天甚至更久，其凝胶时间过长是Isobam凝胶体系急需要解决的问题。