专利名称：Ce:Lu<sub>2</sub>SiO<sub>5</sub>多晶闪烁光学陶瓷的无压烧结制备方法
技术领域：
本发明涉及以Lu2SiO5*基体，Ce3+离子为激活离子的多晶闪烁光学陶瓷的制备方法，更确切地说涉及溶胶-凝胶法低温合成Ce Lu2SiO5粉体及其在吐气氛无压烧结致密化方法，属于闪烁光学陶瓷制备技术工艺领域。
背景技术：
1983年美国GE公司陶瓷实验室首先开发出了名为HiLight的陶瓷闪烁体(Eu 掺杂的IO3AM2O3固溶体的透明陶瓷)，开创了陶瓷闪烁体研究开发的先河，随后日立金属和西门子公司分别开发了 Gd2AS: Pr, Ce, F 和Gd2AS = Pr (UFC)陶瓷闪烁体。在二元 Re2O3-SiO2 (其中Re=Lu3+、Y3+、Gd3+)稀土硅酸盐体系中，Ce = Lu2SiO5MW因为具有高吸收、快衰减、高光产额且物理化学性质稳定被作为综合闪烁性能最佳的闪烁材料。自1992年第一次生长出Lu2SiO5单晶以来，大多数研究工作局限于对Lu2SiO5闪烁单晶进行生长实验和性能优化研究。在晶体生成中依然存在组分偏析、晶体表面粘附钼金颗粒和出现Lu2O3包裹物等问题，造成生长温度高、设备要求苛刻和晶体材料性能不稳定等缺陷。自2000年起，人们逐渐认识到研制多晶Ce = Lu2SiO5发光材料是推进该材料应用的有效途径。2008年Lempicki等通过热压工艺在1700°C首次成功制备了多晶Ce = Lu2SiO5闪烁光学陶瓷，开创了 Lu2SiO5R烁体制备和研究的新篇章。2009年Yimin Wang等以纳米级多晶Lu2SiO5粉体为原料，通过热等静压工艺制备了半透明Ce = Lu2SiO5闪烁光学陶瓷，相对密度达99. 8%。与单晶生长相比，多晶Ce = Lu2SiO5制备技术有助于大大提高Ce离子组分的一致性和分散均勻性。同时制备工艺大大简化，目前已成为Ce = Lu2SiO5闪烁材料制备技术的研究热点。从已有报道来看，Ce = Lu2SiO5陶瓷的致密化进程大多要在压力辅助下完成， 不可避免地造成样品污染和局部开裂，同时也增加了对设备的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷的无压烧结制备方法。 其特征在于具有以下的制备过程和步骤
a.设计确定Ce= Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷的化学分子式
化学分子式为(LUl_xCex)2Si05 ；其中，χ为掺杂稀土 Ce离子的摩尔含量， x=0. 0025-0. 01；
b.以氯化镥(LuCl3)和正硅酸乙酯(Si(C2H5O)4)为原料，以硝酸铈(Ce(NO3)3)为掺杂剂，按上述摩尔比溶解于适量的异丙醇((CH3O)2CHOH)中，且以环氧丙烷(C3H6O)为反应助剂，在室温下经湿化学反应得到沉淀物Ce = Lu2SiO5粉体前驱体，将干燥的上述粉体前驱体在900 1300°C温度下经过2 6小时煅烧合成，得到单相Ce = Lu2SiO5发光粉体；
c.将上述获得的高烧结活性的单相粉体现在1 8MPa的压力下，于不锈钢模具中初步成型，然后于100 300 MPa的冷等静压下压制成圆片状得到Ce = Lu2SiO5陶瓷素坯；
d.将上述获得的素坯置于氢气炉中，按预定的升温制度进行无压烧结，以2 5°C的升温速度升至1600 1800°C，保温时间在2 8小时，自然冷却得到Ce Lu2SiO5烧结体；
e.对获得的烧结体进行双面细磨抛光，得到紫外光激发下发射蓝光的Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷；在360 nm紫外光激发下，存在两个快衰减成分，衰减时间分别为13. 14和 2. 86 ns0本发明在采用溶胶-凝胶法制备Ce = Lu2SiO5发光粉体的基础上，首次采用流动H2 气氛烧结技术，在常压条件实现Ce = Lu2SiO5半透明多晶闪烁陶瓷的充分致密化制备，所得 CeLu2SiO5陶瓷样品的具有良好的闪烁性能。本发明的优点如下所述
(1)采用溶胶-凝胶法低温合成Ce = Lu2SiO5多晶闪烁陶瓷粉体，其化学组成精细可控， 粉体粒径大小控制在纳米至亚微米尺度，烧结活性优良。(2)本发明在成型过程中不添加任何粘合剂，减少了制备的中间步骤，简化了制备过程。(3)在还原性气氛中实施无压烧结，有效防止了掺杂的Ce3+在高温烧结过程中氧化生成Ce4+，从而保证了所制备Ce = Lu2SiO5陶瓷的高发光强度，快衰减特性。另外，除了 Al2O3烧结舟外，无其他外来杂质影响，确保了材料组分不受污染。(4)所得陶瓷在X射线激发下表现良好的发光行为，主发射峰位于440 nm处。(5)本方法采用无压条件气氛烧结，有利于在未来实现大规模制备。
图1为沉淀物前躯体于1100°C煅烧2小时后的透射电子显微镜(TEM)照片图。图2为沉淀物前躯体于1100°C煅烧2小时后的扫描电子显微镜(SEM)照片图。图3为沉淀前驱体经过1100°C煅烧2小时后获得粉体的X射线衍射图谱。图4为Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷在紫外灯下激发下发蓝光的照片图。图5为Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷的断口形貌。图6为Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷在X射线激发下的发射光谱图。图7为Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷在360 nm紫外光激发下的衰减曲线图。具体实施例子
现将本发明的具体实施例详述如下。实施例1
将20 g的氯化镥(LuCl3)和8. 05ml的正硅酸乙酯(Si (C2H5O)4)溶解于142. 5 ml的异丙醇((CH3O)2CHOH)中，另加入0.68 ml浓度为0. 522 mol/L硝酸铈(Ce (NO3) 3)，随后加入 99.61 mol环氧丙烷(C3H6O),经搅拌反应30小时后获得白色凝胶状沉淀物。将沉淀物置于空气气氛60°C条件下干燥M小时，然后在马弗炉中110(TC下进行煅烧合成，保温2小时， 得到亚微米级0. 5mol%CeILu2SiO5发光粉体。将获得的粉体先置于内径为Φ 10 mm的不锈钢模具中，在1 MI^a的压力下双压成型，然后将样品密封后置于200 MI^的冷等静压下压制成相对密度为51%的素胚。最后，将成型后的素坯置于氢气炉中进行H2气氛下无压烧结工艺，于1720°C保温4小时，可得到相对密度为99. 5%的Ce = Lu2SiO5烧结体。对样品进行细磨抛光，得到在X射线激发下具有良好发光行为半透明的Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷。
实施例2
将40 g的氯化镥(LuCl3)和16. 1 ml的正硅酸乙酯(Si (C2H5O)4)溶解于142. 5 ml的异丙醇((CH3O)2CHOH)中，另加入0.68 ml浓度为0. 522 mol/L硝酸铈(Ce (NO3) 3)，随后加入199. 22 mol环氧丙烷(C3H6O),经搅拌反应30小时后获得白色凝胶状沉淀物。将沉淀物置于空气气氛60°C条件下干燥M小时，然后在马弗炉中1100°C下进行煅烧合成，保温2小时，得到亚微米级0. 25mol% CeiLu2SiO5发光粉体。将获得的粉体先置于内径为Φ20 mm的不锈钢模具中，在4 MPa的压力下双压成型，然后将样品置于200 MI^的冷等静压下压制成相对密度为50%的素坯。最后，将成型后的素胚置于氢气炉中通过还原气氛无压烧结工艺，于1750°C保温4小时，得到相对密度为 99. 2 %的Ce Lu2SiO5烧结体，对样品进行细磨抛光，得到得到在X射线激发下具有良好发光行为的半透明Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷。经多项仪器检测，测试结果表明于以下各附图中。图1为沉淀物前躯体于1100°C煅烧2小时后的TEM图片，表明粉体颗粒分散性良好。图2为沉淀物前躯体于1100°C煅烧2小时后的SEM图片，表明粉体颗粒平均尺寸大约100 nm。图3为沉淀前驱体经过1100°C煅烧2小时后获得粉体的XRD图谱，表明产物为单一的 Lu2SiO5 相。图4为Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷在紫外灯下激发下发蓝光的情况。图5为Ce = Lu2SiO5S晶闪烁光学陶瓷的断口形貌，表明陶瓷的致密性良好，平均颗粒尺寸大约为5. 6 um。图6表明Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷在X射线激发下具有良好的发光行为，主发射峰位于440 nm处。图7表明Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷在360 nm紫外光激发下的衰减曲线，样品具有两个衰减成分，衰减时间分别为13. 14和2. 86 ns。
权利要求
1. 一种Ce = Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷的无压烧结制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤a.设计确定Ce= Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷的化学分子式化学分子式为(LUhCex)2SiO5 ；其中，χ为掺杂稀土 Ce离子的摩尔含量， x=0. 0025-0. 01；b.以氯化镥(LuCl3)和正硅酸乙酯(Si(C2H5O)4)为原料，以硝酸铈(Ce(NO3)3)为掺杂剂，按上述摩尔比溶解于适量的异丙醇((CH3O)2CHOH)中，且以环氧丙烷(C3H6O)为反应助剂，在室温下经湿化学过程反应得到沉淀物Ce = Lu2SiO5粉体前驱体，将干燥的所述粉体前驱体在900 1300°C温度下经过2 6小时煅烧合成，得到单相Ce = Lu2SiO5粉体；c.将上述获得的高烧结活性的单相粉体先在1 8MI^的压力下，于不锈钢模具中初步成型，然后于100 300MPa的冷等静压下压制成圆片状得到Ce = Lu2SiO5陶瓷素坯；d.将上述获得的素坯置于氢气炉中，按预定的升温制度烧结，以2 5°C的升温速度升至1600 1800°C，保温时间在2-8小时，自然冷却后得到Ce Lu2SiO5烧结体；e.对获得的烧结体进行双面细磨抛光，得到紫外光激发下发射蓝光的Ce= Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷；在360 nm紫外光激发下，存在两个快衰减成分，衰减时间分别为13. 14和 2. 86 ns0
全文摘要
本发明涉及一种采用无压烧结工艺制备Ce:Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷的方法，属稀土掺杂多晶闪烁光学陶瓷制备工艺技术领域。本发明采用溶胶-凝胶法低温合成单相亚微米级Ce:Lu2SiO5陶瓷粉体，将上述粉体经干压、等静压成型后在流动的H2气氛条件下于1600-1800℃进行无压烧结获得Ce:Lu2SiO5多晶闪烁光学陶瓷。获得材料的相对密度达到理论密度的98.5％以上，在X射线激发下表现良好的发光行为，主发射峰位于440nm处。
文档编号C04B35/50GK102557598SQ20121000799
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月12日 优先权日2011年3月21日
发明者任玉英, 施鹰, 林挺, 谢建军, 邓莲芸 申请人:上海大学