透红外陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及透明陶瓷，特别是一种掺杂Zr的Y2O3基可见截止、透红外陶瓷的制备 方法，属于特种光功能陶瓷制备技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着红外技术的进步，国防科技及民用领域在红外探测、红外传感和医疗保健等 方面的应用更加广泛。传统的红外探测器易受各种热源及可见光源的干扰，需要在辐照面 增加特殊的滤光片；人眼对530nm的蓝绿光最为敏感，各种光学设备的光学系统也容易被 激光破坏，对激光的防护刻不容缓，而传统的光学玻璃通过掺杂着色离子或镀膜的方式，一 般只能防护一个或几个波长的激光，透红外窗口在非红外波段透过率的降低必然对内部光 学元件的激光防护有利。
[0003] Y2O3透明陶瓷是一种性能优异的透红外光学元件，3~5ym波段透过率高达80%、 抗热震稳性好，由于其熔点高2430±30°C和2280°C时的晶型转变，一般通过热等静压或添 加氧化物（如La203、Zr02)来降低烧结温度，实现透明陶瓷的低温制备。专利CN103132006A 公布的黑色Y2O3陶瓷涂层的制备方法中指出，激光束的辐照会使的Y 2O3涂层释放氧，缺氧的 Y2O3显示为黑色，会吸收一定的可见光；日本Y. Tsukuda于2300°C的高温下，在氢气气氛中 烧结出黑色Y2O3透明陶瓷，晶粒粒径大（mm级），在3 ym附近的透过率也有较大下降；美国 专利GB1178495A提出了掺杂ThO2,21〇2或11?)2的氧化钇透明陶瓷的制备方法，在2000~ 2200°C下烧结，为提高短波透过性在1200°C进行退火。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种透红外的透明陶瓷及其制备方法，该方法制备透明陶瓷 具有烧结温度低、成本小和中红外透过率高的特点。该陶瓷结合Y 2O3的低红外辐射的优势 与吸收紫外线及部分可见光的特性，是红外探测器的优选材料，Z扫描结果显示其具有光学 非线性吸收特性，在光电设备中具有潜在的应用价值。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] 一种透红外陶瓷及其制备方法，其特征在于该透红外陶瓷的化学式 为（YhZrx) 203+x，Y2O3为基体材料，ZrO 2为掺杂剂，X为Zr取代Y的原子百分含量 (0. 005 < X < 0. 18)，该透红外陶瓷在3~5ym波段的透过率为78~82%。
[0007] 所述的透红外陶瓷的Zr掺杂的优选范围为0. 05 <X< 0. 15。
[0008] 所述的透红外陶瓷的制备方法，该制备方法的工艺步骤如下：
[0009] 1)原料合成：按照（YhZrx)2O3tx的分子式选定X的比例，采用纯度均为99. 99% 的Y2O3微米级粉体和ZrO 2纳米级粉体，按公式W = 24644. 6xA225. 8101-20. 6359x)将 原子百分含量X换算成ZrOjP Y2O3的重量，其中，W为100g原料粉中所含的ZrOj^重量， 100 - W为100g原料粉中所含的Y2O3的重量，称量Y 203和ZrO 2粉体，用无水乙醇球磨24~ 48小时，在70°C的温度下烘干15~30小时，用200目网筛过筛，将过筛后的粉末在800~ 1100°C的温度下煅烧2小时，以除去残余水分和无水乙醇；
[0010] 2)素坯成型：将煅烧后的粉末装入模具中，采用双面加压的方式加压成型，成型 压力为3~5MPa，压制出的素坯尺寸为q>2〇mm陶瓷片，随后用冷等静压的方式，在210MPa 的压力下成型，得到致密素坯；
[0011] 3)陶瓷烧结：采用真空钨丝炉对所述的致密素坯进行烧结，烧结温度在1700~ 1870°C，保温时间为5~30小时，烧结保温阶段真空度在KT 3Pa以下，烧结后获得截止可 见、透过红外的透明陶瓷；
[0012] 4)陶瓷后处理：将烧结得到的棕黑色陶瓷进行双面镜面抛光，以达到使用要求。
[0013] 球磨时采用的球磨罐为二氧化锆罐，磨球为直径5mm的二氧化锆球，避免杂质的 引入。
[0014] 采用无水乙醇进行湿磨，避免Y2O3吸水的问题，无水乙醇的添加量的范围为粉末 总重量的70~100%。
[0015] 本发明的技术效果：
[0016] 本发明提出的以Y2O3为基体材料的3~5 ym透红外陶瓷，通过添加ZrO2烧结助剂 降低烧结温度，该陶瓷不进行退火处理，保留其棕黑色的颜色，可根据实际应用的需要，掺 杂适量的21〇 2烧结助剂，实现短波截止边由紫外到可见的调节，该陶瓷热辐射系数低，除了 用于车载前视红外、夜视侦查和热像仪等民用及军事领域，该陶瓷还具有非线性吸收特性， 在光电设备中具有潜在的应用价值。
【附图说明】
[0017] 图1是实施例1~5中不同原子百分含量Zr的（YhZrx)2C^ x透红外陶瓷从紫外 到近红外的透过截止曲线图；
[0018] 图2是掺杂0.06原子百分含量Zr的透红外陶瓷与普通Y2O3陶瓷透过率的比较 图；
[0019] 图3是掺杂0.15原子百分含量Zr的Y2O3透红外陶瓷的高温红外辐射率图；
[0020] 图4是掺杂0. 15原子百分含量Zr的透红外陶瓷显示的光学非线性吸收性能图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。
[0022] 实施例 1、2、3、4、5
[0023]
[0024] 按照（Y1Jrx) 2CVx的分子式选定x的比例，实施例1~5分别为0.01，0. 025，0. 05， 0. 08,0. 10 (掺杂浓度逐渐增大），将原子百分含量X换算成ZrOjP Y 203的重量，如上表所 示，称量纯度均为99. 99%的Y2O3微米级粉体和ZrO 2纳米级粉体，用无水乙醇球磨48h，在 70°C下烘干20h，用200目网筛过筛，将过筛后的粉末于1000°C煅烧2h，采用双面加压的 方式加压成型，成型压力3MPa，压制出素坯尺寸为 (p2〇mm陶瓷片，在210MPa的压力下冷 等静压成型，得到致密素坯；采用真空钨丝炉对实施例1~5所得素坯进行烧结，烧结温度 1850°C，保温5h得到棕黑色的透红外陶瓷。双面抛光后，采用Lambda 750型紫外/可见/ 近红外分光光谱仪测试实施例1~5所得陶瓷的透过光谱，结果如图1所示，短波吸收边随 着掺杂浓度的增大向长波移动。
[0025] 实施例6
[0026] 按照（YhZrx)2O3tx的分子式选定X的比例为0. 06,将原子百分含量X换算成ZrO 2 和Y2O3的重量，则Y 20393. 42g、Zr026 . 58g，称量纯度均为99. 99 %的Y2O3微米级粉体和ZrO 2 纳米级粉体，无水乙醇为80g，球磨36h，在70°C下烘干30h，用200目网筛过筛，将过筛后的 粉末于1000°C煅烧2h，采用双面加压的方式加压成型，成型压力5MPa，压制出素坯尺寸为 (P20mm陶瓷片，在210MPa的压力下冷等静压成型，得到致密素坯；采用真空钨丝炉对所得 素坯进行烧结，烧结温度在1780~1860°C，保温30h得到棕黑色透明陶瓷，与通常退火后 的无色透明陶瓷一起进行紫外/可见/近红外透过率和中远红外透过率的测试，结果如图 2所示，该陶瓷（6)在可见及近红外波段透过率明显降低，在应用波段3~5微米透过率与 普通陶瓷出'）相差不大。
[0027] 实施例7
[0028] 按照（YhZrx)2O 3tx的分子式选定X的比例为0. 15,将原子百分含量X换算成ZrO 2 和Y2O3的重量，则Y 20383 . 40g、Zr0216. 60g，称量纯度均为99. 99 %的Y2O3微米级粉体和ZrO 2 纳米级粉体，无水乙醇85g，球磨36h，在70°C下烘干25h，用200目网筛过筛，将过筛后的 粉末于IKKTC煅烧2h，采用双面加压的方式加压成型，成型压力4MPa，压制出素坯尺寸为 q)20mm陶瓷片，在210MPa的压力下冷等静压成型，得到致密素坯；采用真空钨丝炉对所得 素坯进行烧结，烧结温度在1800°C，保温IOh得到棕黑色透明陶瓷，利用IR-2辐射率测量 仪测定3~5 ym波段辐射率，得到图3所示的低辐射率结果，利用自组平台进行Z扫描测 试，结果如图4所示，图中点和曲线分别为实验结果及拟合曲线，棕黑色陶瓷显示一定的非 线性效应。
【主权项】
1. 一种透红外陶瓷，其特征在于该透红外陶瓷的化学式为（yhZig2o3+x，y2o3为基体材 料，Zr02为掺杂剂，x为Zr取代Y的原子百分含量0. 005 <x< 0. 18,该透红外陶瓷在中 红外波段3~5ym的透过率为78~82 %。2. 根据权利要求1所述的透红外陶瓷，其特征在于：所述的Zr掺杂的优选范围为 0. 05 彡x彡 0. 15。3. 权利要求1所述的透红外陶瓷的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤： 1) 原料合成：按照（Y^Zr^Om的分子式选定x的比例，采用纯度均为99. 99%的Y203 微米级粉体和Zr02纳米级粉体，按公式W= 24644. 6xA225. 8101-20. 6359x)将原子百分 含量x换算成ZrOjPY203的重量，其中，W为100g原料粉中所含的ZrO2的重量，100 -W为 l〇〇g原料粉中所含的Y203的重量，称量Y203和ZrO2粉体，用无水乙醇球磨24~48小时，在 70°C的温度下烘干15~30小时，用200目网筛过筛，将过筛后的粉末在800~1100°C的温 度下煅烧2小时，以除去残余水分和无水乙醇； 2) 素坯成型：将煅烧后的粉末装入模具中，采用双面加压的方式加压成型，成型压力 为3~5MPa，压制出的素坯尺寸为q)2〇mm陶瓷片，随后用冷等静压的方式，在210MPa的压 力下成型，得到致密素坯； 3) 陶瓷烧结：采用真空钨丝炉对所述的致密素坯进行烧结，烧结温度在1700~ 1870°C，保温时间为5~30小时，烧结保温阶段真空度在l(T3Pa以下，烧结后获得截止可 见、透过红外的透明陶瓷； 4) 陶瓷后处理：将烧结得到的棕黑色陶瓷进行双面镜面抛光，达到使用要求。4. 根据权利要求3所述的透红外陶瓷的制备方法，其特征在于：球磨时采用的球磨罐 为二氧化锆罐，磨球为直径5mm的二氧化锆球。5. 根据权利要求3所述的透红外陶瓷的制备方法，其特征在于：球磨采用的无水乙醇 的添加量的范围为粉末总重量70~100%。
【专利摘要】一种透红外陶瓷及其制备方法，该透红外陶瓷的基体为Y2O3，分子式为(Y1-xZrx)2O3+x，其中x为Zr取代Y的原子百分含量，x的范围为0.005≤x≤0.18。本发明制备的掺杂锆的Y2O3基透明陶瓷透过性高，高温红外辐射系数低，是一种截止可见光和紫外线、透过中波红外光的透明陶瓷，可应用于车载前视红外、夜视侦查和热像仪等民用、军用领域，Z扫描结果显示其具有光学非线性吸收特性，在光电设备中具有潜在的应用价值。
【IPC分类】C04B35/622, C04B35/505, C04B35/63
【公开号】CN104944954
【申请号】CN201510347055
【发明人】毛小建, 李晓凯, 冯明辉, 姜本学, 张龙
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月19日