一种Nd³⁺:Lu₂O₃半透明纳米陶瓷的制备方法

专利名称：一种Nd³⁺:Lu₂O₃半透明纳米陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种Lu2O3纳米陶瓷制备的技术领域，特别涉及一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法。
背景技术：
当前，关于Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷烧结致密化工艺，不乏有采用SPS、热压、热等静压等烧结工艺制备细晶粒陶瓷的报道，但其实验条件较高，或 者对样品存在污染，也难以制备大尺寸样品。国际上I Strek等通过高压低温烧结(8GPa，450°C)制备了 Y3Al5O12(Y AG)纳米晶粒(-IOOnm)的透明陶瓷，透过率达到60%，但该法对设备要求及其苛刻，且由于超高压条件，烧结体存在较大应力，容易开裂。

发明内容
本发明的目的为了解决上述的技术问题而提供一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，即在常压、还原气氛中下，采用多步烧结法，优选三步烧结法，成功制备了一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷。其制备过程无需复杂设备，工艺简单，适合制备大尺寸纳米陶瓷样品。且采用该方法制备的纳米陶瓷，块体致密、均匀，几无应力。本发明的技术方案
一种NcT = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，即在常压、流动氢气氛中，将NcT = Lu2O3素坯在1400°C -1750°C采用多步烧结后降至室温即得Nd3+ = Lu2O3纳米半透明陶瓷。所述的多步烧结优选为三步烧结，以三步烧结为例，其烧结过程的温度控制曲线的示意图如图I所示，图I中，第一步烧以20-40°C /min的升温速度至1400°C保温,保温15 30min ;第二步烧结以10_20°C /min的升温速度升温至1600_1750°C，保温15 30min ;第三步烧结控制温度为1600-1700°C，保温6-20h。上述的一种NcT = Lu2O3半透明纳米陶瓷的三步烧结制备方法，其具体包括如下步骤
(I )、将化学法制备的Nd离子掺杂Lu2O3高烧结活性粉体等静压成Nd3+: Lu2O3素坯后，置于真空炉中500-800°C保温2h，冷却至室温，即得用于烧结Nd3+ = Lu2O3纳米陶瓷的素坯；
(2)、将步骤(I)所得的用于烧结Nd3+= Lu2O3纳米陶瓷的素坯置于流动氢气炉中，通氢气以排空炉腔中的空气后，以20-40°C /min的升温速度至1400-1600°C保温，保温15 30min ；
(3)、步骤(2)保温结束后，立即以10-20°C/min的升温速度升温至1600_1750°C，优选1720 1750 O，保温 15 30min ；
(4 )、步骤(3 )保温结束后，立即断电降温至1600-1700 V，保温6_20h;
(5)、步骤(4)保温结束后，在氢气气氛保护下，以10-50°C /h的降温速率降温至室温，出炉，即得一种Nd3+=Lu2O3半透明纳米陶瓷。
上述的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷，其晶粒尺寸在300 800nm之间，经阿基米德排水法检测其致密度达到99. 5%以上，最终所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷呈半透明、不开裂，发射强度也远高于氢气氛1850°C烧结6h所得的普通微米陶瓷。本发明的有益效果
本发明的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，由于采用了流动氢气氛辅助的多步烧结致密化控制技术，因此无需高压、高温真空等复杂烧结设备，即在普通的氢气炉中即可实现纳米陶瓷的制备。进一步，本发明的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，由于制备过程中不受复杂设备炉腔体积限制，可制备大尺寸的半透明纳米陶瓷。 进一步，本发明的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，由于制备过程同现有技术相比，因无需使用的石墨模具，烧结的纳米陶瓷样品不易受石墨渗碳污染，并且也不需高压辅助，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷块体致密、均匀，几无应力，因此最终所得的Nd3+ILu2O3半透明纳米陶瓷具有不易开裂等优点。


图I是一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法的升温曲线的示意 图2a、实施例I用于制备Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉体的TEM显微照片；
图2b、实施例I所得的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的热腐蚀表面的SEM显微照片； 图2c、实施例I所得的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的AFM显微照片；
图2d、实施例2所得的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的断口 SEM扫描图片；
图2e、实施例3所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的热腐蚀表面的SEM显微照片；
图2f、对照实施例I所得的一种Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷SEM扫描图片；
图3a、实施例I所得的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的荧光光谱；
图3b、对照实施例I所得的一种Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷的荧光光谱；
图4a、实施例I所得的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷退火前的透过率曲线；
图4b、实施例I所得的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷退火后的透过率曲线。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。本发明的实施例中所用的氢气炉为日本NEMS公司生产的FDB-14-19多功能氢气炉；
真空炉为上海辰荣电炉有限公司制造的ZW-15-20型真空钨丝电阻炉。本发明实施例中进行测量所用的仪器
扫描电镜，型号为JSM-6700F型，日本JEOL公司；
突光仪，Fluorolog-3型,法国Jobin Yvon公司生产。实施例I
一种Nd3+ = Lu2O3纳米半透明陶瓷的制备方法，具体包括如下步骤
(I )、Nd3+: Lu2O3初始纳米粉体通过钢模单向加压成型后在200MPa下冷等静压压制成型后置于真空炉中(10_3Pa)800°C预烧a后降至室温，即得用于烧结Nd3+ = Lu2O3纳米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉体的TEM显微照片如图2a所示，从图2a中可以看出初始的钕离子掺杂氧化镥纳米粉体晶粒发育完整、粒度分布均匀、一次颗粒尺寸约为 30nm ；
(2)、将步骤(I)所得的用于烧结Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流动氢气炉中，通氢气IOmin以排空炉腔中的空气后，以30°C /min的升温速率从室温升温至1400°C，保温30min ；
(3)、步骤(2)保温结束后，以15°C/min的升温速率从1400°C升温至1720°C，保温15min ；
(4)、步骤(3)保温结束后，断电降温至1620°C，流动氢气氛下保温18h；
(5)、步骤(4)保温结束后，以10°C/min的降温速率冷却至室温，出炉，即得Nd3+ = Lu2O3 半透明纳米陶瓷。将上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷通过场发射扫描电镜(型号为JSM-6700F型，日本JEOL公司)进行显微观察，获得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的热腐蚀表面的SEM显微照片如图2b所示，从图2b中可以看出所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷表面几乎看不到气孔，其晶粒尺寸的范围在300-600nm之间。将上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷通过原子力显微镜(型号SPM_9600)进行观察，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的AFM显微照片如图2c，从图2c中可以看出该纳米陶瓷表面平整，平均晶粒尺寸约为400nm。上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷经阿基米德排水法检测其致密度达到99. 5%以上。实施例2
一种Nd3+ = Lu2O3纳米半透明陶瓷的制备方法，具体包括如下步骤
(I )、Nd3+: Lu2O3初始纳米粉体通过钢模单向加压成型后在200MPa下冷等静压压制成型后置于真空炉中(10_3Pa)500°C预烧a后降至室温，即得用于烧结Nd3+ = Lu2O3纳米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉体的TEM显微照片如图2a所示，从图2a中可以看出初始的钕离子掺杂氧化镥纳米粉体晶粒发育完整、粒度分布均匀、一次颗粒尺寸约为 30nm ；
(2)、将步骤(I)所得的用于烧结Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流动氢气炉中，通氢气IOmin以排空炉腔中的空气后，以20°C /min的升温速率从室温升温至1600°C，保温15min ；
(3)、步骤(2)保温结束后，以10°C/min的升温速率从im°C升温至1750°C，保温30min ；
(4)、步骤(3)保温结束后，断电降温至1700°C，流动氢气氛下保温6h;
(5)、步骤(4)保温结束后，以50°C/min的将温速率冷却至室温，出炉，即得Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷。上述所得的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的断口通过场发射扫描电镜(型号为JSM-6700F型，日本JEOL公司)，所得的SEM断口图片见图2d，从图2d中可以看出晶粒呈沿晶断裂，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷烧结体的晶粒比实施例I所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷烧结体的晶粒略大，晶粒尺寸范围在500-800nm之间。实施例3
一种Nd3+ = Lu2O3纳米半透明陶瓷的制备方法，具体包括如下步骤
(I )、Nd3+: Lu2O3初始纳米粉体通过钢模单向加压成型后在200MPa下冷等静压压制成型后置于真空炉中(10_3Pa)600°C预烧a后降至室温，即得用于烧结Nd3+ = Lu2O3纳米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉体的TEM显微照片如图2a所示，从图2a中可以看出初始的钕离子掺杂氧化镥纳米粉体晶粒发育完整、粒度分布均匀、一次颗粒尺寸约为 30nm ；
(2)、将步骤(I)所得的用于烧结Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流动氢气炉中，通氢气IOmin以排空炉腔中的空气后，以40°C /min的升温速率从室温升温至1400°C，保温30min ；
(3)、步骤(2)保温结束后，以20°C/min的升温速率从1400°C升温至1700°C，保温30min ；
(4)、步骤(3)保温结束后，断电降温至1600°C，流动氢气氛下保温20h；
(5)、步骤(4)保温结束后，以10°C/min的降温速率冷却至室温，出炉，即得Nd3+ = Lu2O3纳米陶瓷。将上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷通过场发射扫描电镜(型号为JSM-6700F型，日本JEOL公司)进行显微观察，获得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷的热腐蚀表面的SEM显微照片如图2e所示，从图2e中可以看出所得的Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷表面存在少量微气孔，平均晶粒尺寸约为300nm，比实施例1、2的晶粒尺寸略小，主要是由于第一步和第二步的烧结温度较低，晶粒发育不如实施例1、2的充分。对照实施例I
一种Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷的制备方法，具体包括如下步骤
(I )、Nd3+: Lu2O3初始纳米粉体通过钢模单向加压成型后在200MPa下冷等静压压制成型后置于真空炉中(10_3Pa) 800°C预烧2h后降至室温，即得用于烧结Nd3+ = Lu2O3陶瓷的素坯；
(2)、将步骤(I)所得的用于烧结Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流动氢气炉中，通氢气IOmin以排空炉腔中的空气后，以10°C /min的升温速率从室温升温至1850°C，保温20h ；
(3)、步骤(2)保温结束后，以50°C/min的将温速率冷却至室温，出炉，即得Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷。上述所得的一种Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷通过场发射扫描电镜(型号为JSM-6700F型，日本JEOL公司)进行观察，其SEM扫描图片如图2f所示，从图2f中可以看出晶粒平均晶粒尺寸在50 μ m左右。由于仅通过一步烧结，且烧结温度过高(18500C )，保温时间长(20h)，使得最终所得的陶瓷晶粒发育和长大充分，因此获得了 Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷。通过荧光光谱仪分别对上述实施例I及对照实施例I所得的一种Nd3+:Lu2O3半透明纳米陶瓷和微米陶瓷进行荧光光谱测定，其结果分别见图3a、图3b所示，从图3a、图3b比较可以看出，在808nm半导体激发下，纳米陶瓷的发射强度约为微米陶瓷发射强度的3倍;
通紫外可见分光光度计分别对上述实施例I所得的一种Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷退火前和退火后的透过率进行测定，其结果分别见图4a、图4b所示，从图4a、图4b比较可以看出，退火后纳米陶瓷的透过率有一定提升，在IlOOnm处达到35%。综上所述，本发明的一种NcT = Lu2O3纳米半透明陶瓷的制备方法，由于氢气气氛和多步烧结技术的结合，因此能够很容易地实现Nd3+ = Lu2O3纳米半透明陶瓷的制备。以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任 何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种NcT = Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，其特征在于在常压、氢气气氛中将Nd3+ILu2O3素坯在1400°C -1750°C采用多步烧结后降至室温即得Nd3+ = Lu2O3半透明纳米陶瓷。
2.如权利要求I所述的一种Nd3+= Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，其特征在于所述的多步烧结为三步烧结，具体如下 第一步烧结以20-40°C /min的升温速度至140(Tl60(TC保温，保温15 30min ； 第二步烧结以10-20°C /min的升温速度升温至1700_1750°C，保温15 30min ； 第三步烧结控制温度为160(Tl70(TC，保温6-20h。
3.如权利要求2所述的一种Nd3+= Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，其特征在于第二步烧结温度为1700 1750°C。
4.如权利要求3所述的一种Nd3+= Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，其特征在于所述的多步烧结为三步烧结，具体如下 第一步烧结以4011C /min的升温速度至140(TC保温,保温30min ； 第二步烧结以20°C /min的升温速度升温至1720°C，保温15min ； 第三步烧结控制温度为1620°C，保温18h。
5.如权利要求3所述的一种Nd3+= Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，其特征在于所述的多步烧结为三步烧结，具体如下 第一步烧结以20°C /min的升温速度至1600°C保温,保温15min ； 第二步烧结以10°C /min的升温速度升温至1750°C，保温30min ； 第三步烧结控制温度为1700°C，保温6h。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的一种Nd3+= Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，其特征在于所述的烧结气氛为流动氢气。
7.如权利要求6所述的一种Nd3+= Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，其特征在于所述的Nd3+ = Lu2O3素坯为真空热处理过的素坯，真空热处理温度为500 800°C保温2h。
全文摘要
本发明公开了一种Nd3+:Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，即在常压、氢气气氛中将Nd3+:Lu2O3素坯在1400℃-1750℃采用多步烧结后降至室温即得Nd3+:Lu2O3纳米半透明陶瓷。本发明的一种Nd3+:Lu2O3半透明纳米陶瓷的制备方法，由于采用了流动氢气氛辅助的多步烧结致密化控制技术，因此无需高压、高温、真空等复杂烧结设备，即在普通的氢气炉中即可实现半透明纳米陶瓷的制备，且制备的Nd3+:Lu2O3半透明纳米陶瓷具有尺寸大、不易开裂等优点。
文档编号C04B35/622GK102807368SQ20121031892
公开日2012年12月5日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年9月3日
发明者周鼎, 任玉英, 徐家跃, 金敏, 储耀卿 申请人:上海应用技术学院