专利名称：一种掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的冷冻成型方法
技术领域：
本发明属于激光陶瓷材料制备工艺，特别涉及一种掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的 冷冻成型方法。
背景技术：
由于陶瓷激光介质制备温度低，成本低，可以制造大尺寸产品，可实现高掺杂浓度， 耗时少，可大批量生产，所以引起了国内外科研工作者的广泛重视。成型工艺在整个陶 瓷材料的制备过程中起着承上启下的作用，是保证陶瓷材料及部件的可靠性、成品率及 可重复性的关键，与工业化和规模化生产直接相关。成型方法对陶瓷坯体的质量和烧结 体的显微组织结构有非常大的影响。
目前，对于钇铝石榴石透明陶瓷的成型方法，主要有以下几种(1)干压成型将 过筛后的纳米粉体用钢模在不同的压强下压制成圆片，得到素坯。在这个基础之上，添 加了等静压的成型方式，即先将纳米粉体用钢模在50MPa的压强下压制成圆片，然后
冷等静压(200MPa)得到素坯。这种混合的成型方式对减少密闭气孔有一定的效果，中 国科学院上海硅酸盐研究所已经采用这种混合的方式得到了透明陶瓷。但这种方法容易 形成封闭气孔，在后序的烧结过程中，气孔不利于消除，从而影响了透明陶瓷的光学质
量。(2)注浆成型这种方法是传统陶瓷制备的常见方法。注浆成型主要依靠毛细管力
作用脱除溶剂，形成连通气孔。在真空烧结的过程中，气孔容易排出，容易得到透明的 激光陶瓷。日本已经采用注桨成型的方法制备出光学质量均匀的透明激光陶瓷，然而注 浆成型的详细过程没有描述。在注浆成型的过程中，如何得到均匀稳定且流动性好的料 浆就显得尤为重要，这方面的专利及文献报道非常少。在传统的注浆成型的基础之上，
俄罗斯的科学家(Y. L.Kopylov et al., Opt. Mater. (2008))采用一种改进的注浆成型 的方法——高压注浆成型(HPCSC)制备了透明的激光陶瓷。但是这种压力注浆成型的方 式设备复杂，操作程序繁琐。所有涉及多孔模型的注浆成型的方法都涉及部分水份自料 浆与多孔磨具的接触面排除过程，由于水份排除过程仅发生在接触面，使得成型后的坯 体密度不均匀，容易使成型制品在烧结过程中因烧结收缩不一致，导致陶瓷的变形，并 且，由于坯体与石膏模接触的部分密度较高，高温时容易烧结，影响陶瓷内部气孔的排 除，从而导致陶瓷透明度下降。同时，由于石膏模具中可溶性的盐类(钙盐，钾盐，钠 盐)迁移到模具的表面形成表面层，会导致陶瓷局部相组成的变化和光学与激光性能的 下降。
发明内容
针对现有技术存在的问题和缺陷，本发明提供了一种掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷 的冷冻成型方法，采用冷冻注浆成型制备工艺，使得制备的掺钕YAG坯体不会产生封闭 的气孔，该方法易于近净成型，即该方法能制造具有外形与目的成型体形状相近似的成 型体。
3一种掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的冷冻成型方法，步骤如下 (1)选用掺杂钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)粉末作原料；将原料粉末和有机分散剂加 入到水和丙三醇的混合溶液中静置，静置时间为12-24h，然后将其球磨混合后形成浆料， 球磨时间为3-10h.;
其中有机分散剂的加量为原料粉末质量的1.0 1.5wt.%;原料粉末的加量为各成分
总质量的60~65 wt.%;在水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的质量比为9:1-12:1。
(2)将步骤(1)制备的浆料进行超声震动，震动时间为5 8min，用氨水将浆料的 pH值调整为8 10，然后倒入模具中，冷冻8 12h，再经过真空干燥24-36小时，去模后
制得掺钕YAG的成型坯体。
所述步骤(1)中的掺杂钕的钇铝石榴石通式为NdxY3—XA15012 ，其中，0< x《0.5。 所述步骤(1)中的有机分散剂优选为聚丙烯酸(PAA)。 所述步骤(2)中使用的模具材料为聚四氟乙烯。 所述步骤(2)真空干燥过程中的真空度为50~80 Pa。 所述步骤(2)中的冷冻温度优选为-40 -50T。
本发明所用的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)粉料可用中国专利文件CN101311373 "—种 合成YAG单晶纳米粉末的方法"制备。
本发明提供的掺杂钕的钇铝石榴石透明陶瓷的成型方法，通过采用Nd:YAG粉料，加 入一定数量的聚丙烯酸分散剂，同时采用丙三醇和水为溶剂，丙三醇被认为能够改善料 浆的热转移，从而形成均匀的陶瓷体微结构。采用冷冻干燥的方式，冷冻干燥的主要原 理是水通过升华的方法从固体中分离，从而避免了由于毛细管力引起的硬团聚和破裂。
采用冷冻干燥方法制备的坯体，消除了干压坯体中的封闭气孔，同时，又避免了多 孔模型注浆带来的坯体不均匀现象，更重要的是，解决了坯体与石膏磨具或金属磨具接 触带来的污染，可以提高成型坯体的质量，并克服其它成型方法引起的陶瓷质量问题。 采用冷冻注浆的方法制备的陶瓷坯体为以后的透明陶瓷的制备奠定了坚实的基础。
图l为采用本发明方法实施例1制备的掺杂钕的钇铝石榴石陶瓷坯体的照片。
图2为采用本发明方法实施例1制备的掺杂钕的钇铝石榴石陶瓷坯体的显微结构照片。
具体实施例方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，但不限于此。
实施例1: 一种掺杂钕的钇铝石榴石陶瓷坯体的成型方法，包括如下步骤
(1) 将20gNd:YAG粉料，放入到10.5ml水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的 质量比为9: 1，加入聚丙烯酸分散剂的量为粉料质量的1.5wt.%,原料粉末占各成分(水 和丙三醇的混合溶液、有机分散剂、原料粉末加量之和)总质量的65 wt /。，静置24h，放 入行星球磨机中球磨6h;
(2) 将球磨后的浆料倒出后，超声震动5min，并用氨水调节浆料的pH为8，将浆 料倒入到聚四氟乙烯模具中，在-50"C冷冻10h，真空干燥24h后去模。步骤(2)真空干燥过程中的真空度为50 Pa。 实施例2:
(1) 将15g Nd:YAG粉料，放入到8.2ml水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的 质量比为10.5: 1，加入聚丙烯酸分散剂的量为粉料质量的1.4 wt.%,原料粉末占各成分 总质量的64wt。/。，静置24h，放入行星球磨机中球磨10h;
(2) 将球磨后的桨料倒出后，超声震动5min，并用氨水调节浆料的pH为9，将浆 料倒入到聚四氟乙烯模具中，在-40"C冷冻8h，真空干燥30h后去模。
步骤(2)真空干燥过程中的真空度为60 Pa。 实施例3:
(1) 将30gNd:YAG粉料，放入到17.2ml水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的 质量比为12: 1，加入聚丙烯酸分散剂的量为粉料质量的1.3 wt.%，原料粉末占各成分总 质量的63 wt%，静置24h，放入行星球磨机中球磨lOh;
(2) 将球磨后的浆料倒出后，超声震动5min，并用氨水调节浆料的pH为10，将 浆料倒入到聚四氟乙烯模具中，在-5(TC冷冻12h，真空干燥36h后去模。
所述步骤(2)真空干燥过程中的真空度为80 Pa。
权利要求
1. 一种掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的冷冻成型方法，其特征在于步骤如下(1)选用掺杂钕的钇铝石榴石粉末作原料；将原料粉末和有机分散剂加入到水和丙三醇的混合溶液中静置，静置时间为12-24h，然后将其球磨混合后形成浆料，球磨时间为3-10h；其中有机分散剂的加量为原料粉末质量的1.0～1.5wt.％；原料粉末的质量为各成分总质量的60～65wt.％；(2)将步骤(1)制备的浆料进行超声震动，震动时间为5～8min，用氨水将浆料的pH值调整为8～10，然后倒入模具中，冷冻8～12h，再经过真空干燥24-36小时，去模后制得掺钕YAG的成型坯体。
2. 如权利要求1所述的掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的冷冻成型方法，其特征在于 所述步骤(1)中的有机分散剂优选为聚丙烯酸。
3. 如权利要求1所述的掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的冷冻成型方法，其特征在于 步骤(1)所述的水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的质量比为9:1-12:1。
4. 如权利要求1所述的掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的冷冻成型方法，其特征在于 所述步骤(2)中使用的模具材料为聚四氟乙烯。
5. 如权利要求l所述的掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的冷冻成型方法，其特征在于 所述步骤(2)真空干燥过程中的真空度为50 80 Pa。
6. 如权利要求l所述的掺钕钇铝石榴石透明激光陶瓷的冷冻成型方法，其特征在于 所述步骤(2)中的冷冻温度优选为-40 -5(TC。
全文摘要
本发明涉及一种掺钕钇铝石榴石透明陶瓷的冷冻成型方法。选用掺杂钕的钇铝石榴石Nd:YAG粉末作原料；将原料粉末和有机分散剂加入到水和丙三醇的混合溶液中静置，然后球磨，超声震动，用氨水将浆料的pH值调整为8～10，然后倒入模具中，冷冻8～12h，真空干燥，去模后制得掺钕YAG的成型坯体。本发明制备的陶瓷坯体具有高固含量，连通气孔，并且陶瓷坯体密度均匀，在后序的煅烧和加工的过程中不易产生变形。
文档编号B28C1/06GK101429018SQ200810237970
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者宏 刘, 铎 刘, 刘树江, 吕耀辉, 张晓林, 桑元华, 王继扬 申请人:山东大学