透明多阳离子陶瓷及其制备方法

专利名称：透明多阳离子陶瓷及其制备方法
透明多阳离子陶瓷及其制备方法
背景技术：
本发明涉及制备多阳离子陶瓷的方法。本发明还涉及制备透明多 阳离子陶瓷的方法。更具体而言，本发明涉及一种方法，该方法通过 使用纳米粉和其增强的烧结能力来制备透明的而且在晶粒尺寸方面 工程化的多阳离子陶瓷。
多阳离子陶瓷(尤其是透明多阳离子陶瓷)广泛应用在照明、医 疗、工业、国家安全、和防御应用中。例如透明陶瓷闪烁器，如具有
掺杂物的钇铝石榴石(YAG)被用于成像、非破坏性评估、和传感器。 氧化铝、氧化钇、YAG、氮氧化铝、和铝酸镁尖晶石都是很好的用于 照明、汽车、和苛刻环境窗户的备选物。因此，在生产这些透明陶瓷 以及其它材料上已经作出了努力。对于许多这些应用，需要具有高的 强度和机械加工性。
通常通过加压烧结微米和亚微米尺寸粉末制备透明陶乾。通常， 所需相的微米尺寸陶资粉末通过固态途径合成、压实、和烧结形成透 明陶瓷制品。在高压烧结过程中限制或控制晶粒尺寸非常困难。或 者，可以通过湿化学途径合成陶瓷纳米粉，随后进行压实和烧结。在 这些两步骤加工方法中，控制晶粒生长非常困难，并且在获得致密 的、细晶粒的陶瓷上仅获得有限的成功。
在单步骤方法中，由于和纳米粉相关的固有问题，因此在加工过 程中在限制晶粒生长的同时实现相形成和烧结非常困难。 一个这样的 问题是纳米颗粒内纳米晶的强团聚问题。另一问题是由于纳米颗粒之 间的静电排斥，纳米粉趋向于抗压实。这些效应导致在坯体中颗粒松 散堆积、低密度和高多孔性。在单步骤方法中，得到致密压实甚至更 具挑战性，因为为了能够对不同反应物同时进行表面改性，可能需要 适当组合表面活性剂来得到均匀 一致堆积的坯体。另 一挑战是控制与 纳米材料的提高的反应性相关的快速晶粒生长。通常使用晶粒生长抑 制剂来克服这个问题，但是它们可能对于最终制品的光学和机械性能 具有负面影响。另外，在烧结过程中气孔往往夹在纳米颗粒内，由此 产生的陶瓷体具有高散射系数和差的机械性能。
现有技术中处理这些问题的方法仅取得有限的成功。因此需要一 种通用和简单的处理技术来制备透明的而且在晶粒尺寸方面实现工 程化的陶乾。

发明内容
通过提供透明多阳离子陶瓷材料和用于在单步骤工艺中制备多 阳离子陶瓷材料的方法，本发明满足了这些和其它需要。
因此，本发明的一个方面是提供一种制备多阳离子陶资材料的方
法。该方法包括以下步骤提供至少第一材料和第二材料，其中第一 材料包含第一阳离子和第二材料包含第二阳离子，并且其中第一阳离 子和第二阳离子互不相同，第一材料和第二材料每一都是纳米粉；形 成包含第一材料和第二材料的混合物；由混合物形成坯体；并且形成 包含第一阳离子和第二阳离子的致密多阳离子陶乾材料，其中致密多 阳离子陶瓷材料包括主相，该主相与笫一材料和第二材料不同并且具 有小于l微米的平均晶粒尺寸。
本发明的笫二方面是提供制备包含多阳离子陶乾材料的制品的 方法。该方法包括以下步骤提供至少第一材料和第二材料，其中第 一材料包含第一阳离子，第二材料包含第二阳离子，其中笫一阳离子 和笫二阳离子相互不相同，并且第一材料和第二材料每一都是纳米 粉；形成包含第一材料、第二材料、至少一种分散剂和溶剂的浆料； 混合该浆料以形成包含笫一材料和第二材料的混合物；干燥该浆料以 形成粉末；由粉末形成坯体；在受控压力下烧结该坯体以形成烧结 体；和精加工该烧结体以形成制品，其中该制品包含含有第一阳离子 和第二阳离子的主相，并且其中该主相与笫一材料和第二材料不同并 且具有小于l微米的平均晶粒尺寸。
本发明的第三方面是提供制备包含多阳离子陶资材料的制品的 方法。该方法包括以下步骤提供至少笫一材料和第二材料，其中第 一材料包含第一阳离子，第二材料包含笫二阳离子，其中第一阳离子 和第二阳离子互不相同，并且第一材料和笫二材料每一都是納米粉；
形成包含第一材料、第二材料、至少一种分散剂和溶剂的浆料；混合 该浆料以形成包含第一材料和第二材料的混合物；干燥该浆料以形成 粉末；由该粉末形成坯体；在受控压力下烧结该坯体以形成烧结体；
和精加工该烧结体以形成制品，其中该制品包含含有第 一阳离子和第 二阳离子的主相，其中该主相与第一材料和第二材料不同，具有小于
l微米的平均晶粒尺寸并且是透明的，以及其中该制品具有对于lmm 厚样品而言至少为50%的均一化镜面透射率。本发明的第四方面是提 供陶瓷材料。该陶瓷材料包含主相。该主相包含至少笫一阳离子和第 二阳离子，其中第一阳离子和第二阳离子互不相同，并且具有小于l 微米的平均晶粒尺寸。陶瓷材料是透明的，并且具有对于lmm厚样 品而言至少为50%的均一化镜面透射率(specular transmission )。本 发明的另一方面是提供陶瓷制品。该陶乾制品包含主相。该主相包含 至少第一阳离子和第二阳离子，其中第一阳离子和第二阳离子互不相 同，并且具有小于l微米的平均晶粒尺寸，其中该陶瓷制品通过包括 以下步骤的方法形成提供至少第一材料和第二材料，其中第一材料 包含第一阳离子，而第二材料包含第二阳离子，其中第一阳离子和第 二阳离子互不相同，并且其中第 一材料和第二材料每一都是纳米粉； 形成包含第一材料、第二材料、至少一种分散剂和溶剂的浆料；混合 该浆料以形成包含第一材料和笫二材料的混合物；干燥该浆料以形成 粉末；由粉末形成坯体；在受控压力下烧结该坯体以形成烧结体；和 精加工该烧结体以形成陶乾制品。
从以下详细描迷、附图和附加的权利要求中，本发明的这些以及 其它方面、优点、和显著特征将变得非常明显。


图l是根据本发明一种实施方案制备多阳离子陶乾的流程图； 图2是根据图1中描述的方法制备的多阳离子YAG :Nd， Mg陶资
的扫描电子显微照片；
图3是根据图1描述的方法制备的透明YAG陶乾的照片；
图4是图示根据图l描述的方法制备的多阳离子YAG陶资的直
线透射率和总透射率与波长的关系图；和
图5是根据本发明一种实施方案制备包含多阳离子陶瓷的制品的
流程图。
发明详述
在以下描述中，相同的附图标记表示在附图中所示的全部多个视 图的相同或相应的部分。还应当理解如"上部"、"底部"、"向外"、 "向内"等的术语是方便用词，并不作为限制性术语。此外，无论何 时声称本发明的某一具体方面包括一组多个元素中的至少之一和其
组合，或者由一组多个元素中的至少之一和其组合组成，就应当理解 该方面可以包括该组的任何元素(单独地或与该组中任何其它元素组 合)，或者由该组的任何元素(单独地或与该组中任何其它元素组合) 组成。
在以下讨论中，为了简便，Y3AhsOu表示为YAG，将具有钕掺 杂的YAG表示为YAG:Nd，将具有镱掺杂的YAG表示为YAG: Yb， 将具有钕掺杂和镁添加物的YAG表示为YAG:Nd，Mg。为了理解本发 明，纳米粉被理解为其中一次晶粒尺寸小于500mn并且平均颗粒尺寸 低于l微米的粉末。在一个实施方案中， 一次晶粒尺寸小于100nm, 在另一实施方案中， 一次晶粒尺寸小于60rnn。在一个实施方案中， 平均颗粒尺寸小于500nm，并且在另一实施方案中小于100nm。
在技术和工业应用范围内对透明材料有很大需求。传统上，单晶
体被用于该目的。透明的多晶体陶瓷对于这些应用而言是非常理想 的，因为与单晶体相比，多晶体允许使用更低浓度的掺杂物、更高浓 度和均匀性的光学活化剂，并且具有更低的加工温度。另外，多晶体 陶瓷使得可以进行制品的接近净成形或者净成形加工和铸造。这不可 能通过采用单晶来实现。然而，制备具有高透明度的多晶体陶瓷是一 个挑战性工作，因为多晶体陶瓷具有大量的散射中心，例如孔、可能 的多种笫二相、和在晶粒边界处的缺陷。在具有极低残余孔隙的高密 度陶瓷中，或在其中存在的孔隙和任何笫二相中至少之一的长度级别 落在所考虑的散射方案(scattering regime)以下的陶资中， 可以得 到很高的透明度。近些年，人们在合成高密度、高透明度的透明陶资 和开发制备透明陶瓷的通用方法方面已经作出了努力。已经采用热压 技术来获得透明陶瓷。然而，涉及使用这种方法制备透明陶资制品的 操作非常复杂而且潜在造价很高。
通过大量增加比表面积和降低原始反应物颗粒的颗粒尺寸，无压 烧结可以用来制备透明陶瓷。即使该方法可以提供透明度，但仍然趋 向于生产具有大晶粒尺寸的陶资体，所述大晶粒尺寸对机械强度产生
不利影响。尽管进行了这些努力，仍然没有在工业规模上容易生产具 有工程化的细晶粒尺寸的高密度透明陶瓷的方法。在此公开了 一种通 用方法，用于制备具有受控晶粒尺寸的透明、高密度多阳离子陶瓷。
总体上参考附图并且具体参考图1，应当理解这些示例是用来描 述本发明一种实施方案的目的，而不是为了在此对本发明进行限定。
本发明的一个方面是提供一种制备含有多阳离子陶瓷材料的制 品的方法。该制备多阳离子陶瓷的方法在图1中作为流程图示出。本
发明的制备多阳离子陶瓷的方法是在纳米粉的提高的烧结能力基础 上的单步骤成型和烧结工艺。作为单步骤无压烧结工艺，其排除了笨
重的设备和在用于制备透明多阳离子陶瓷的一般方法中所用的多个
步骤。与在先已知的方法不同，在此描述的方法IOO提供了将多阳离
子陶瓷的晶粒尺寸限制到小于微米的方法。
图1中概括的方法IOO开始于步骤110，在该步骤中提供至少第
一材料和第二材料。笫一材料包含第一阳离子，笫二材料包含第二阳 离子，该第二阳离子与第一阳离子不同。第一材料和第二材料每一都 是纳米粉。也可以提供纳米粉形式的含有不同于第一阳离子和第二阳 离子的阳离子的附加的材料。应当理解，无论何时提供了所述附加的 材料和阳离子，那么在此描述的任何涉及第一材料和第二材料的后续
步骤也包括任何所述附加的材料。在一个实施方案中，笫一和笫二阳 离子选自钇、镱、镥、铈、斜、祭、镨、礼、镧、钕、钬、铝、镓、 钙、镁、钪、锆、和铁的阳离子。笫一材料和笫二材料的非限制性例 子包括但不限于固体无机氧化物、氟化物、氮化物、碳化物、和硫族 元素化物。在一个实施方案中，第一材料是一种镧族金属的氧化物。 在另一实施方案中，第一材料和笫二材料是一次颗粒尺寸低于l微
米，优选低于500nm，更优选低于100nm的纳米粉。优选纳米粉是因
为它们的提高的烧结能力使得在降低的处理温度下能够得到更高密度。
在步骤120中，形成包括第一材料和第二材料的混合物。形成包 含笫一材料和第二材料的混合物的步骤可以包括湿法混合或干法混 合。湿法混合包括形成含有第一材料、第二材料和溶剂的浆料。可以 使用水溶剂或非水溶剂。非水溶剂可以是极性或非极性溶剂。在一个 实施方案中，极性溶剂是醇。也可以使用例如烷烃和稀烃的非极性溶
剂。非极性溶剂的非限定性实例包括己烷、甲苯和四氯化碳等。具有 低表面张力的液体是优选的溶剂，因为高的表面张力促进了团聚。强 团聚体导致颗粒在坯体中的堆积很差，进而导致在最终烧结体中造成 了低密度和多孔性。
在另一实施方案中，形成浆料的步骤包括向浆料中加入分散剂。 分散剂有效地将反应物粉末分散在浆料中，并且对烧结产物不具有明 显的有害效果。分散剂的非限定性例子包括但不限于聚丙烯酸钠、聚 丙烯酸铵、聚曱基丙烯酸铵、聚乙烯醇、烷基硬脂酸盐、有机磷酸盐、
烷基铵溴化物盐、嵌段共聚物、及其组合等。通常，提供大约1.0-10.0pph (在每百份溶剂中的份数)的分散剂。
如果涉及干法混合，可以采用任何本领域公知的干法混合方法， 例如流体能量混合、振动混合、静态混合、喷射研磨和球磨等。氧化
铝、氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、玛瑙、尼龙、氮化硅、或Teflon 都可以用作研磨介质
如果采用湿法混合，干燥混合物以形成干燥的混合物。可以使用 的非限定性干燥方法例子包括但不限于混合物的温度辅助干燥、喷雾 干燥、冷冻干燥、和减压干燥、选择干燥方法以生产干燥混合物。在 步骤130中，坯体由干燥的混合物形成。可以采用多种技术来形成坯 体，例如但不限于在单向压力、双向压力或等静压下压实。也可以使 用通过例如挤出、喷射造型法、流延、和凝胶铸造等技术进行净成形 或者接近净成形制造。在一个实施方案中，坯体的密度为该多阳离子 陶瓷材料的主相的理论密度的至少大约40%,在另一实施方案中，是 理论密度的至少大约50%，以进一步提高在烧结过程中的致密并获得 需要的光透射率。
在步骤140中，通过致密化坯体来制备致密陶资体。在一个实施 方案中，坯体在受控气氛中和在受控压力下烧结。在另一实施方案 中，坯体在低于约1000t:下在含氧气氛中预烧结。预烧结通常在约500
ic至约iooox:的温度范围内进行，以烧去有机粘合剂和表面活性剂。 实际上采用的预烧结温度和时间周期取决于有机杂质存在的量和陶 瓷样品的厚度。在预烧结步骤后，进行烧结步骤。可以在减压(真空)、 环境空气、惰性气体、还原气体、氧化气体、或这些气体的混合物中 进行烧结。惰性气体的非限定性例子包括但不限于氩和氦。还原气体
包括但不限于干式或湿式H2、 N2，和CO/CCh混合物。氧化气体包括 但不限于02和03。通常在约10001C至约21001C的温度范围内进行烧 结，烧结时间为0.5h至24h。加热到烧结温度的速度可以变化并且应 当对坯体没有明显的有害作用。通常加热速度为约lt:/min至约10*C /min。烧结采用的受控压力为约10-8托至约1.6x 106托。优选在陶资 基体中具有高扩散率的环境气氛中烧结以得到高的密度。为了获得需
要的密度和晶粒尺寸而选择烧结条件，并且烧结条件取决于具体的材 料系统和样品的厚度。还选择烧结条件以得到完全的孔隙填充、致密 化到需要的密度值、并且限制最终晶粒尺寸。
对烧结进行最优化以能够同时成形和烧结具有小于l微米的平均 晶粒尺寸的多阳离子陶瓷。由于反应物纳米粉的提高的烧结能力，以 上结果是能够实现的。本发明的方法提供对晶粒尺寸的工程化，还提 供了将最终致密体中的晶粒尺寸限制到小于1微米的方法。
通常，烧结体包括产物多阳离子主相，该主相与反应物成分不 同，通过X射线衍射和电子显微镜测量方法测定。在一个实施方案 中，主相是以下物质的一种氧化物、硼化物、碳化物、氮化物、氮 氧化物、及其组合。在一个具体实施方案中，主相是YAG、 YAG:Nd、 YAG、 YAG:Yb和YbAG之一。在一个实施方案中，烧结体的密度是 多阳离子陶瓷材料主相的理论密度的约95%至100%。在笫二实施方 案中，烧结体的密度是理论密度的约98%至100%，在第三实施方案 中，烧结体的密度是理论密度的大约99%至100%。烧结体通常具有 约100nm至约3微米的晶粒尺寸。在一个实施方案中，烧结体具有的 平均晶粒尺寸为约100nm至约2微米，而在另一实施方案中，晶粒尺 寸为约100nm至约1微米。
纳米粉的处理存在很多挑战，例如粉末的去团聚、在具有受控孔 尺寸和结构的压实坯体中获得高的堆积密度、以及控制晶粒尺寸以得 到具有高机械强度的细晶陶瓷。由于其增加的表面能， 一次纳米晶体 具有很强的团聚成更大纳米颗粒的趋势。由于静电排斥的增加，这些 纳米颗粒具有对于压实的排斥力。本发明的方法成功地解决了这些问 题，并且提供了获得高密度多阳离子的细晶粒尺寸的方法。
参考图2，显示了由本发明方法制备的多阳离子陶瓷。图2是根 据图1中描述的方法制备的YAG:NdMg多阳离子陶乾的扫描电子显
微图150。 YAG:NdMg陶资160包括多个晶粒。在陶瓷160中的多个 晶粒具有约l微米至约3微米的平均晶粒尺寸。
在一个实施方案中，多阳离子陶瓷是透明的，在一个具体实施方 案中，多阳离子陶瓷对于红外辐射是透明的。在另一实施方案中，多 阳离子陶瓷对于紫外辐射是透明的。在另一实施方案中，多阳离子陶 瓷对于可见光，即波长在约400nm和800nm的光，是透明的。
图3图示了约2mm厚的透明YAG陶资晶片170的照片，该陶瓷 晶片根据图1中描迷的方法制备。图3清晰地证实了根据本发明的方 法制备的陶瓷的高透明度。
参考图4,测量了根据图1描述的方法制备并且厚度为约2mm的 抛光YAG陶瓷晶片170在各种波长下的光的直线和总透射率。图4 表明由本发明方法制备的YAG陶瓷在很宽的波长区内显示出优越的 透射率。该图显示出镜面直线透射率(specular in-line transmission) 和总透射率都超过了 50%。在一种实施方案中，多阳离子陶瓷具有小 于0.05mnT1的散射系数和小于0.002mm"的吸收系数。在另一实施方 案中，多阳离子陶瓷具有大于65%的镜面透射率。
在此使用的术语"直线透射率"应当理解为，当一定强度的平行 光束垂直给定厚度的样品表面入射时，得到的透射光强度和入射光强 度的比。在本实施方案中，所述直线镜面透射率是在lmm厚的烧结 体抛光板中，在554nm波长处测量的。
本发明使得直接制备筒单、中空、或复杂形状的多阳离子陶瓷制 品成为可能。特别地，烧结产物在不需要明显或大量机械加工的条件 下，就可以制备成有用的陶瓷制品，例如盘、薄壁管、长杆、球形体、 和中空形制品等。
在一个具体实施方案中，如图5的流程图显示的方法180提供了 一种制备包含多阳离子陶瓷的制品的方法。方法180开始于步骤190， 该步骤包括提供至少第一材料和第二材料，其中第一材料包含第一阳 离子，第二材料包含第二阳离子，该第二阳离子与第一阳离子不同， 并且其中第一材料和第二材料每一都是纳米粉。也可以以纳米粉形式 提供含有第一阳离子和第二阳离子之外的阳离子的附加的材料。应当 理解，无论何时提供这些附加的材料和阳离子，在此描述的任何涉及 笫一材料和第二材料的后续步骤也包括任何这些附加的材料。已经在
上文描述出备选材料和阳离子。在步骤200中，形成包含第一材料、 第二材料、至少一种分散剂、和溶剂的浆料。在步骤210中，混合浆 料以形成包含第一材料和第二材料的混合物。步骤220包括干燥该浆 料以形成粉末。在步骤230中，由粉末形成需要形状的坯体。在步骤 240中，在受控压力下烧结坯体以形成包含主相的烧结体，如在前的 描述，并且在步骤250中，精加工烧结体以形成需要形状的制品。
在此描述的多阳离子陶瓷能够具有很宽的使用范围。例如可以使 用在需要具有本发明的透光性质的陶瓷保护材料或板的任何系统 中。具体而言，可以用作透光过滤器；用于医学成像的、在暴露在高 能量辐射时的发光的闪烁器；工业上的无损评价；辎重或容器的被动 和主动屏蔽(active screening);透光窗户；灯具夕卜壳；工业应用的 抗蚀刻性窗户；高温、高强度复合体；和用于装甲的耐破坏性复合体。
以下实施例用来举例说明本发明提供的特征和优点，但不是为了 限制本发明。
实施例1
以下实施例描述了透明YAG材料Y3AlsOu的制备方法。将化学 计量的Y203和Al20;j (针对在高温下的灼烧损失进行了校正)与原硅 酸四乙酯、去离子水、和分散剂聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、苯乙 烯、和丙烯酸共聚物一起混合，氧化铝(A1203)球用作研磨介质。摇 晃以上材料，然后在球磨机上放置15小时以形成悬浮液。向该悬浮 液中滴加3滴辛醇用来消泡，并且通过流经过滤罩来从介质中分离。 使用另外的去离子水来清洗介质并且采用磁力搅拌器搅拌，然后将悬 浮液在入口温度为大约200"下进行喷雾干燥。从旋风收集器和喷雾 腔室中收集干燥的材料。使用模具在液压机上将所得粉末压成小球。 随后将该小球放置在不透水的橡胶套中并在40kpsi压力下进行冷等静 压，以得到大约50%致密程度的片。随后在箱式炉中在02流动下加 热该片，用以烧去有机粘结剂和表面活性剂。在900TC下进行具有三 个中间步骤的预烧结。在200"C/hr的速度下冷却所述片，然后在真空 和1750t;的条件下烧结以得到接近100%致密程度的片。
虽然为了示例性的目的列出了典型的实施方案，但是不应当认定 在前的描述是对本发明范围的限定。因此，在不背离本发明精神和范
围的情况下，本领域的技术人员可以进行各种改变、改进、和替换。
部分列表100:制备多阳离子陶瓷的方法
110:提供材料-纳米粉的步骤
120:形成纳米粉混合物的步骤
130:形成坯体的步骤
140:致密化坯体的步骤
150:扫描电子显微照片
160:YAG:Nd Mg陶乾
170:YAG陶乾
180:制备制品的方法
190:提供材料-纳米粉的步骤
200:形成浆料的步骤
210:混合步骤
220:干燥步骤
230:形成坯体的步骤
240:烧结坯体的步骤
250:精加工坯体的步骤
权利要求
1、一种制备多阳离子陶瓷材料的方法，该方法包括以下步骤A)提供至少第一材料和第二材料，其中所述第一材料包括第一阳离子，所述第二材料包括第二阳离子，所述第一阳离子与所述第二阳离子互不相同，其中所述第一材料和所述第二材料都是纳米粉；B)形成包括所述第一材料和所述第二材料的混合物；C)由所述混合物形成坯体；和D)形成包括所述第一阳离子和所述第二阳离子的致密多阳离子陶瓷材料，其中所述致密多阳离子陶瓷材料包括主相，该主相与所述第一材料和所述第二材料不同并且具有小于1微米的平均晶粒尺寸。
2、 根据权利要求1的方法，其中所述致密多阳离子陶瓷材料是透明的。
3、 根据权利要求1的方法，其中所述致密多阳离子陶瓷材料对 于红外辐射是透明的。
4、 根据权利要求1的方法，其中所述致密多阳离子陶瓷材料对 于紫外辐射是透明的。
5、 根据权利要求1的方法，其中所述致密多阳离子陶瓷材料对 于可见光是透明的。
6、 根据权利要求1的方法，其中所述致密多阳离子陶瓷材料的 lmm厚的样品具有至少50%的镜面透射率。
7、 根据权利要求1的方法，其中所述致密多阳离子陶瓷材料的 lmm厚的样品具有至少65%的镜面透射率。
8、 根据权利要求1的方法，其中所述笫一材料和所述第二材料 的每个都是氟化物、氧化物、氮化物、碳化物、硫族元素化物、和它 们的组合中的一种。
9、 根据权利要求8的方法，其中所述第一材料和所述笫二材料 的至少之一是镧族金属的氧化物。
10、 根据权利要求l的方法，其中所述第一阳离子和所述第二阳 离子选自钇、镱、镥、铈、铒、铥、镨、礼、镧、钕、钬、铝、镓、 钾、镁、钪、锆、和铁的阳离子。
11、 根据权利要求l的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相是以 下物质之一氧化物、硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、及其组 合。
12、 根据权利要求1的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相是 YAG、 YAG:Nd、 YAG、 YAG:Yb和YbAG之一。
13、 根据权利要求l的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相的密 度是所述主相的理论密度的大约98% - 100% 。
14、 根据权利要求l的方法，其中所述形成包括第一材料和第二 材料的混合物的步骤包括形成一种浆料，该浆料包括所述第一材料、 所述笫二材料、和溶剂。
15、 根据权利要求14的方法，其中所述溶剂是水溶剂。
16、 根据权利要求14的方法，其中所述溶剂是非水溶剂。
17、 根据权利要求16的方法，其中所述非水溶剂是极性溶剂。
18、 根据权利要求17的方法，其中所述极性溶剂是醇。
19、 根据权利要求16的方法，其中所述非水溶剂是非极性溶剂。
20、 根据权利要求19的方法，其中所述非极性溶剂是烷烃、烯烃、 及其组合中的一种。
21、 根据权利要求19的方法，其中所述极性溶剂是己烷、甲苯、 四氯化碳、及其组合中的一种。
22、 根据权利要求14的方法，其中形成所述浆料进一步包括向所 述浆料中添加分散剂。
23、 根据权利要求22的方法，其中所述分散剂是以下物质中的一 种聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、聚乙烯醇、烷基硬 脂酸盐、有机磷酸盐、烷基铵溴化物盐、嵌段共聚物、及它们的组合。
24、 根据权利要求l的方法，其中形成包括所述笫一材料和所述 第二材料的混合物的步骤包括干法混合所述第一材料和所述第二材料。
25、 根据权利要求24的方法，其中干法混合步骤包括流体能量混 合、振动混合、静态混合、喷射研磨、球磨、及其组合的至少之一。
26、 根据权利要求l的方法，进一步包括干燥所述混合物以形成 干燥混合物的步骤。
27、 根据权利要求26的方法，其中干燥所述混合物以形成干燥混 合物的步骤包括以下步骤的至少之一温度辅助干燥所述混合物、喷 雾干燥所述混合物、冷冻干燥所述混合物、和减压干燥所述混合物、 及它们的组合。
28、 根据权利要求l的方法，其中由所述混合物形成坯体的步骤 包括以下之一在单向压力下压实所述混合物、在双向压力下压实所 述混合物、在等静压下压实所述混合物、挤压所述混合物、注射成型 所述混合物、流延所述混合物、和凝胶铸造所述混合物。
29、 根据权利要求l的方法，其中形成所述致密多阳离子陶瓷材 料的步骤包括烧结所述坯体。
30、 根据权利要求29的方法，其中烧结所述坯体的步骤包括在受 控气氛下烧结所述坯体。
31、 根据权利要求30的方法，其中所述受控气氛包括至少一种以 下气体环境气体、惰性气体、还原气体、氧化气体、及它们的组合。
32、 根据权利要求31的方法，其中烧结所述坯体的步骤包括在受 控压力下烧结所述坯体。
33、 根据权利要求32的方法，其中所述受控压力为大约10-8托至 约1.6x 106托。
34、 根据权利要求29的方法，其中烧结所述坯体的步骤包括在大 约IOOOIC至大约2100"C的温度范围内烧结所述坯体预定时间。
35、 根据权利要求34的方法，其中所述预定时间为约0.5小时至 约24小时。
36、 根据权利要求l的方法，其中提供至少第一材料和第二材料 的步骤进一步包括提供至少一种附加的材料，其中所述至少一种附加 的材料包括至少一种与所述第一阳离子和所述第二阳离子不同的阳 离子，以及其中所述至少一种附加的材料是納米粉。
37、 一种制备包含多阳离子陶资材料的制品的方法，该方法包括 以下步骤a) 提供至少第一材料和第二材料，其中所述第一材料包含第一 阳离子，所述第二材料包含第二阳离子，所述第一阳离子和所述第二 阳离子互不相同，以及其中所述第一材料和所述第二材料都是纳米 粉；b) 形成包含所述第一材料、所述第二材料、至少一种分散剂和 溶剂的浆料；c )混合所述浆料以形成包含所述第 一材料和所述笫二材料的 混合物；d) 干燥所述浆料以形成粉末；e) 由所述粉末形成坯体；f) 在受控压力下烧结所述坯体以形成烧结体；和g) 精加工所述烧结体以形成所述制品，其中所述制品包含含有 所述笫 一阳离子和所述第二阳离子的主相，其中所述主相与所述笫一 材料和所述第二材料不同并且具有小于l微米的平均晶粒尺寸。
38、 根据权利要求37的方法，其中所述第一材料和所述第二材料 每一都是氟化物、氧化物、氮化物、碳化物、硫族元素化物、和它们 的组合中的一种。
39、 根据权利要求37的方法，其中所述第一材料和所述第二材料 至少之一是镧族金属的氧化物。
40、 根据权利要求37的方法，其中所述第一阳离子和所述第二阳 离子选自钇、镱、镥、肺、铒、铥、镨、礼、镧、钕、钬、铝、镓、 铐、镁、钪、锆、和铁的阳离子。
41、 根据权利要求37的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相是以 下物质之一氧化物、硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、及其组 合。
42、 根据权利要求37的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相是 YAG、 YAG:Nd、 YAG、 YAG:Yb和YbAG之一 。
43、 根据权利要求37的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相的密 度是所述主相理论密度的约98%至100%。
44、 根据权利要求37的方法，其中所述溶剂是水溶剂。
45、 根据权利要求37的方法，其中所述溶剂是非水溶剂。
46、 根据权利要求45的方法，其中所述非水溶剂是极性溶剂。
47、 根据权利要求46的方法，其中所述极性溶剂是醇。
48、 根据权利要求45的方法，其中所述非水溶剂是非极性溶剂。
49、 根据权利要求48的方法，其中所述非极性溶剂是烷烃、烯烃、 及其组合中的一种。
50、 根据权利要求48的方法，其中所述非极性溶剂是己烷、甲苯、 四氯化碳、及其组合中的一种。
51、 根据权利要求37的方法，其中干燥所述混合物以形成干燥混 合物的步骤包括以下的至少之一温度辅助干燥所述混合物、喷雾干 燥所述混合物、冷冻干燥所述混合物、和减压干燥所述混合物、及它 们的组合。
52、 根据权利要求37的方法，其中由所述粉形成坯体的步骤包括 以下之一在单向压力下压实所述混合物、在双向压力下压实所述混 合物、在等静压下压实所述混合物、挤压所述混合物、注射成型所述 混合物、流延所述混合物、和凝胶铸造所述混合物。
53、 根据权利要求37的方法，其中烧结所述坯体的步骤包括在大 约1000TC至大约2100"C的温度范围内烧结所述坯体预定时间。
54、 根据权利要求53的方法，其中所述预定时间为约0.5小时至 约24小时。
55、 根据权利要求37的方法，其中提供至少第一材料和第二材料 的步骤进一步包括提供至少一种附加的材料，其中所述至少一种附加 的材料包括至少一种与所述第一阳离子和所述第二阳离子不同的阳 离子，以及其中所述至少一种附加的材料是纳米粉。
56、 一种制备包含多阳离子陶资材料的制品的方法，该方法包括 以下步骤a)提供至少第一材料和第二材料，其中所述第一材料包含第一 阳离子，所述笫二材料包含笫二阳离子，所述第一阳离子和所述第二 阳离子互不相同，以及其中所述第一材料和所述第二材料都是纳米 粉；a) 形成包含所述第一材料、所述第二材料、至少一种分散剂和 溶剂的浆料；b) 混合所述浆料以形成包含所述第一材料和所述第二材料的 混合物；c) 干燥所述浆料以形成粉末；d) 由所述粉末形成坯体；e) 在受控压力下烧结所述坯体以形成烧结体；和f) 精加工所述烧结体以形成所述制品，其中所述制品包含含有 所述第 一 阳离子和所述笫二阳离子的主相，其中所述主相与所述第一 材料和所述第二材料不同，具有小于1微米的平均晶粒尺寸并且透 明，其中所述制品具有对lmm厚样品而言，至少为50%的均一化镜 面透射率。
57、 根据权利要求56的方法，其中所述制品具有至少65%的镜 面透射率。
58、 根据权利要求56的方法，其中所述制品对于红外辐射而言是 透明的。
59、 根据权利要求56的方法，其中所述制品对于紫外辐射而言是 透明的。
60、 根据权利要求56的方法，其中所述制品对于可见光是透明的。
61、 根据权利要求56的方法，其中所述第一材料和所述第二材料 的每一都是氟化物、氧化物、氮化物、碳化物、硫族元素化物、和它 们的组合中的一种。
62、 根据权利要求56的方法，其中所述第一材料和所述第二材料至少之一是镧族金属氧化物。
63、 根据权利要求56的方法，其中所述第一阳离子和所述第二阳 离子选自钇、镱、镥、铈、铒、铥、镨、轧、镧、钕、钬、铝、镓、 钙、镁、钪、锆、和铁的阳离子。
64、 根据权利要求56的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相是以 下物质之一氧化物、硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、及其组 合。
65、 根据权利要求56的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相是 YAG、 YAG:Nd、 YAG、 YAG:Yb和YbAG之一。
66、 根据权利要求56的方法，其中所述陶瓷材料的所述主相的密 度是所述主相理论密度的约98%至100%。
67、 根据权利要求56的方法，其中所述溶剂是水溶剂。
68、 根据权利要求56的方法，其中所述溶剂是非水溶剂。
69、 根据权利要求68的方法，其中所述非水溶剂是极性溶剂。
70、 根据权利要求69的方法，其中所述极性溶剂是醇。
71、 根据权利要求68的方法，其中所述非水溶剂是非极性溶剂。
72、 根据权利要求71的方法，其中所述非极性溶剂是烷烃、烯烃、 及其组合中的一种。
73、 根据权利要求71的方法，其中所述非极性溶剂是己烷、甲苯、 四氯化碳、及其组合中的一种。
74、 根据权利要求56的方法，其中干燥所述混合物以形成干燥混 合物的步骤包括至少以下之一温度辅助千燥所述混合物、喷雾干燥 所述混合物、冷冻干燥所述混合物、和减压干燥所述混合物、及它们 的组合。
75、 根据权利要求56的方法，其中由所述粉末形成坯体的步骤包 括以下之一在单向压力下压实所述混合物、在双向压力下压实所述 混合物、在等静压下压实所述混合物、挤压所述混合物、注射成型所 述混合物、流延所述混合物、和凝胶铸造所述混合物。
76、 根据权利要求56的方法，其中烧结所述坯体的步骤包括在大约iooox:至大约210ox:的温度范围内烧结所述坯体预定时间。
77、 根据权利要求76的方法，其中所述预定时间为约0.5小时至 约24小时。
78、 根据权利要求56的方法，其中提供至少第一材料和第二材料 的步骤进一步包括提供至少一种附加的材料，其中所述至少一种附加 的材料包括至少一种与所述第一阳离子和所述第二阳离子不同的阳 离子，以及其中所述至少一种附加的材料是纳米粉。
79、 一种陶瓷材料，所述陶瓷材料包含主相，所述主相含有至少 笫一阳离子和第二阳离子，其中所述第一阳离子和所述第二阳离子互 不相同，并且具有小于l微米的平均晶粒尺寸，其中所述陶瓷材料是 透明的并且具有对lmm厚的样品而言至少为50%的均一化镜面透射率。
80、 根据权利要求79的陶资材料，其中所述陶乾材料对于红外辐 射是透明的。
81、 根据权利要求79的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料对于紫外辐 射是透明的。
82、 根据权利要求79的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料对于可见光 是透明的。
83、 根据权利要求79的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料的lmm厚 样品具有至少为65%的镜面透射率。
84、 根据权利要求79的陶瓷材料，其中所述第一阳离子和所述第 二阳离子选自钇、镱、镥、铈、铒、铥、镨、釓、镧、钕、钬、铝、 镓、钓、镁、钪、锆、和铁的阳离子。
85、 根据权利要求79的陶资材料，其中所述陶资材料的所述主相 是以下物质之一氧化物、硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、及 其组合。
86、 根据权利要求79的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料的所述主相 是YAG、 YAG:Nd、 YAG、 YAG:Yb和YbAG之一。
87、 根据权利要求79的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料的所述主相 的密度为所述主相理论密度的大约98%至100%。
88、 根据权利要求79的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料形成了过滤 器、闪烁物、窗户、和透明装甲制品的至少一部分。
89、 一种陶资制品，所述陶瓷制品包含主相，所述主相含有至少 第一阳离子和第二阳离子，其中所述第一阳离子和所述笫二阳离子互 不相同，并且具有小于l微米的平均晶粒尺寸，其中所述陶瓷材料通 过以下步骤形成a) 提供至少第一材料和第二材料，其中所述第一材料包含第一 阳离子，所述笫二材料包含第二阳离子，所述笫一阳离子和所述第二 阳离子互不相同，以及其中所述至少第一材料和所述第二材料每一都 是纳米粉；b) 形成包括至少所述第一材料、所述第二材料、至少一种分散 剂和溶剂的浆料；c) 混合所述浆料以形成包含至少所述第 一材料和所述第二材 料的混合物；d) 干燥所述浆料以形成粉末；e) 由所述粉末形成坯体；f) 在环境压力下烧结所述坯体以形成烧结体；和g) 精加工所述烧结体以形成所述陶瓷制品。
90、 根据权利要求89的陶瓷制品，其中所述含有所述第一阳离子 和所述第二阳离子的主相与所述第一材料和所述第二材料不同。
91、 根据权利要求89的陶瓷制品，其中所述陶瓷制品是透明的。
92、 根据权利要求89的陶资制品，其中所述陶乾制品对于红外辐 射是透明的。
93、 根据权利要求89的陶瓷制品，其中所述陶瓷制品对于紫外辐 射是透明的。
94、 根据权利要求89的陶瓷制品，其中所述陶瓷制品对于可见光 是透明的。
95、 根据权利要求89的陶资制品，其中所述陶资材料的lmm厚 样品具有至少50%的镜面透射率。
96、 根据权利要求89的陶资制品，其中所述陶资材料的lmm厚 样品具有至少65%的镜面透射率。
97、 根据权利要求89的陶乾制品，其中所述第一阳离子和所述笫 二阳离子选自钇、镱、镥、铈、铒、铥、镨、4L、镧、钕、钬、铝、 镓、钾、镁、钪、锆、和铁的阳离子。
98、 根据权利要求89的陶资制品，其中所述陶资材料的所述主相 是以下物质之一氧化物、硼化物、碳化物、氮化物、氮氧化物、及 其组合。
99、 根据权利要求89的陶资制品，其中所述陶资材料的所述主相 是YAG、 YAG:Nd、 YAG、 YAG:Yb和YbAG之一。
100、 根据权利要求89的陶资制品，其中所述陶资材料的所述主 相的密度是所述主相理论密度的大约98%至100%。
101、 根据权利要求89的陶瓷制品，其中所述陶瓷材料形成了过 滤器、闪烁物、窗户、和透明装曱制品的至少一部分。
102、 根据权利要求89的陶资制品，其中提供至少第一材料和第 二材料的步骤进一步包括提供至少一种附加的材料，其中所述至少一 种附加的材料包括至少一种与所述笫一阳离子和所述第二阳离子不 同的阳离子，以及其中所述至少一种附加的材料是纳米粉。
全文摘要
提供一种制备具有平均晶粒直径小于1微米的多阳离子陶瓷的方法。该方法包括以下步骤提供至少第一材料和第二材料，其中第一材料包含第一阳离子，第二材料包含第二阳离子，并且其中第一阳离子和第二阳离子相互不相同，第一材料和第二材料每一都是纳米粉；形成包含第一材料和第二材料的混合物；由混合物形成坯体；形成包括第一阳离子和第二阳离子的致密多阳离子陶瓷材料，其中致密多阳离子陶瓷材料包含含有第一阳离子和第二阳离子的主相，该主相与第一材料和第二材料不同。多阳离子陶瓷具有高密度和高的直线透射率。
文档编号C04B35/505GK101102976SQ200580038309
公开日2008年1月9日 申请日期2005年11月1日 优先权日2004年11月9日
发明者J·A·布鲁尔, J·S·瓦图利, M·马诺哈兰, S·J·斯托克洛萨, S·P·M·洛雷罗, T·F·麦努尔蒂, V·S·文卡塔拉马尼 申请人:通用电气公司