一种陶瓷阵列的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种CT探测器用闪烁陶瓷阵列的制备方法。该方法首先将陶瓷粉体浆料流延成膜，然后将流延膜层叠、激光切割为陶瓷膜阵列，最后进行脱粘、烧结处理，得到所需的陶瓷阵列。与传统的先烧结后切割的陶瓷阵列加工方法相比，本发明克服了的陶瓷材料硬度高、难加工的问题，并且加工周期短，成本低，易于工业化推广，尤其适用于CT探测器等对陶瓷材料硬度要求很高的【技术领域】。
【专利说明】一种陶瓷阵列的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及陶瓷材料【技术领域】，尤其涉及一种陶瓷阵列的制备方法。
【背景技术】
[0002] 陶瓷材料作为一种重要的工业材料，目前的应用领域越来越广，其中陶瓷阵列的 需求也日益增多。传统的陶瓷阵列的加工方法是先烧结整块致密的陶瓷材料，然后利用机 械加工方法切割成所需的陶瓷阵列。但是，一般陶瓷材料的硬度较高，因此这种利用机械加 工切割制备陶瓷阵列的方法效率低、难度大、成本高。
[0003] 例如，探测器是X射线CT系统的核心部件，而实现X射线向可见光转换的闪烁陶 瓷则是探测器最重要的组成部分。为了获得高的分辨率与良好的成像质量，闪烁陶瓷需加 工成许多相互独立的像素粒子，传统的加工方法是先烧结整块致密的闪烁陶瓷，然后利用 机械加工方法切割成所需的闪烁陶瓷阵列。但是，用于CT探测器的闪烁陶瓷都有非常高的 硬度，因此该方法效率低、难度大而且成本非常高。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术目的是针对上述技术问题，提供一种制备陶瓷阵列的新方法，该方 法简单易行，有利于工业化生产。
[0005] 本发明提供的技术方案为：一种陶瓷阵列的制备方法，包括如下步骤：
[0006] (1)按照陶瓷材料的组成分子式配料，得到陶瓷粉体，加入分散剂、粘结剂、溶剂， 混合均匀，得到陶瓷粉体浆料；
[0007] (2)将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠，得到陶瓷膜叠层，在陶瓷膜 叠层上按所需阵列图形进行激光切割，得到陶瓷膜阵列；
[0008] (3)将陶瓷膜阵列升温进行脱粘处理以除去粘结剂，最后进行高温烧结，得到陶瓷 阵列。
[0009] 所述的陶瓷材料不限，包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等。 所述的氧化物陶瓷不限，包括稀土发光离子掺杂且具有A3B4o12石榴石结构的氧化物陶瓷， 其中稀土发光离子包括Ce、Pr、Eu等中的一种或两种及其以上的组合，石榴石结构中A位离 子为Gd、Lu、Y、Tb等中的一种或两种及其以上的组合，B位离子为Ga、Al、Sc等中的一种或 两种及其以上的组合。
[0010] 作为优选，所述的步骤（1)中，陶瓷粉体浆料中的固相含量为50vol% -55vol%。
[0011] 作为优选，所述的步骤（1)中，陶瓷粉体的平均粒径为30-100nm。
[0012] 作为优选，所述的步骤（1)中，陶瓷粉体的纯度高于99. 99%。
[0013] 所述的步骤（1)中，陶瓷浆料的溶剂包括但不限于去离子水或乙醇与丁酮的混合 液。
[0014] 所述的步骤（1)中，陶瓷粉体浆料的溶剂为水时，分散剂优选为阳离子型分散剂， 陶瓷粉体浆料中分散剂的质量百分含量优选为0. 5-3% ;进一步优选，分散剂为聚丙烯酸 钾、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵等中的一 种。
[0015] 所述的步骤（1)中，陶瓷粉体浆料的溶剂为水时，粘结剂优选为聚乙烯醇、水溶性 苯丙乳液、水溶性环氧树脂乳液等中的一种，陶瓷粉体浆料中粘结剂的固含量与陶瓷粉体 的质量比优选为〇. l-o. 3 ;进一步优选，粘结剂为丙烯酸、聚乙烯醇、丙烯酰胺单体、聚丙烯 酸类乳胶。
[0016] 所述的步骤（1)中，陶瓷粉体浆料的溶剂为为乙醇/丁酮时，分散剂优选为聚乙烯 吡咯烷酮等，陶瓷粉体浆料中分散剂的质量百分含量为1-5%。
[0017] 所述的步骤（1)中，陶瓷粉体浆料的溶剂为为乙醇/丁酮时，粘结剂优选为聚乙烯 醇缩丁醛，陶瓷粉体浆料中粘结剂的质量百分含量为3-12%。
[0018] 作为优选，所述的步骤（1)中，陶瓷粉体浆料中包括塑性剂。所述的塑性剂不限， 包括聚乙二醇，丙三醇、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二丁酯，阴离子型脂肪族聚氨酯乳 液等中的一种或几种的混合。当陶瓷粉体浆料的溶剂为为乙醇/ 丁酮时，塑性剂优选为邻 苯二甲酸甲苯基丁酯，陶瓷粉体浆料中塑性剂的质量含量优选为1-2倍粘结剂的质量含 量。
[0019] 所述的步骤（2)中，激光切缝宽度优选为0. 1-lmm。
[0020] 作为优选，所述的步骤（2)中，沿层叠厚度方向对陶瓷膜阵列加载压力，并进 行保压，以使流延膜叠层之间连接更加紧密。压力大小优选为l_30MPa，进一步优选为 10-20MPa，保压时间优选为l-10min，进一步优选为2-5min。
[0021] 所述的步骤（2)中，陶瓷膜阵列可以采用如下两种方式实现：
[0022] 方式一具体有如下过程组成：
[0023] (a)将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠至第一层叠厚度，得到第一陶 瓷膜叠层；
[0024] (b)在第一陶瓷膜叠层表面继续层叠流延膜，并用激光沿层叠厚度方向将该流延 膜按所需阵列图形进行切割；
[0025] (c)重复步骤（b)，直到第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到第二层叠厚度。
[0026] 该方式一中，所述的第一层叠厚度优选为5-10mm;所述的第二层叠厚度优选为 3-15mm〇
[0027] 该方式一中，作为优选，在过程（c)中，当所述的第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延 膜达到第二层叠厚度后，沿层叠厚度方向对流延膜加载压力，并保压一定时间，以使流延膜 叠层之间的连接更加紧密。压力大小优选为l_30MPa，进一步优选为10-20MPa，保压时间优 选为l-10min，进一步优选为2_5min。
[0028] 方式二具体如下：
[0029] 将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠至层叠厚度，得到陶瓷膜叠层，然 后用激光沿层叠厚度方向将该陶瓷膜叠层按所需阵列图形进行切割，切割厚度小于所述的 层叠厚度。
[0030] 该方式二中，所述的层叠厚度优选为8-25mm ;所述的切割厚度优选为3-15mm。
[0031] 方式二中，作为优选，沿层叠厚度方向对陶瓷膜叠层施加压力，并保压一定时间， 以使流延膜叠层之间的连接更加紧密。压力大小优选为l-30MPa，进一步优选为10-20MPa， 保压时间优选为l-l〇min，进一步优选为2-5min。
[0032] 所述的步骤（3)中，脱粘温度优选为500°C -1000°C，更优选为500°C -800°C;进一 步优选，在脱粘温度下进行保温处理，保温时间优选为l_5h，更优选为l-3h。
[0033] 所述的步骤（3)中，烧结温度优选为1500°C -1700°C，更优选为1550°C -1650°C， 保温时间优选为l-l〇h。
[0034] 综上所述，本发明针对陶瓷阵列难以机械加工的问题，采用首先将陶瓷粉体浆料 流延成膜，然后将流延膜层叠、激光切割为陶瓷膜阵列，最后进行脱粘、烧结处理，得到所需 的陶瓷阵列，因此该制备方法具有如下优点：
[0035] (1)陶瓷烧结前就已经形成所需的阵列，即可避免对高硬度的陶瓷材料的机械加 工，还能保证阵列尺寸的精确控制，为进一步工程化应用推广奠定了基础；
[0036] (2)陶瓷材料种类多，陶瓷阵列的应用领域较多，因此本发明的制备方法适用领域 范围较广，尤其适用于高硬度的陶瓷材料应用领域，例如在CT探测器领域中制备闪烁陶瓷 阵列等。
【专利附图】
【附图说明】
[0037] 图1是本发明实施例2中的Cea 95Al 2Ga3012陶瓷阵列图；
[0038] 图2是图1的A部分横截面放大图；
[0039] 图3是图1的纵截面图及其中B部分的放大图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施 例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0041] 图1-3中的附图标记为：1_像素点；2-像素点间空隙；3-像素点的长度；6-像素 点的宽度；5-像素点的厚度；4、7_像素点间空隙的宽度、8-衬底厚度。
[0042] 实施例1 :
[0043] 本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为εθ(ι (ι56(12.95Α126&30 12，该陶瓷材料的阵列为 长方体阵列，阵列中的像素点的横截面呈1. 2mmX 1. 2mm的正方形，厚度为5mm，各像素点间 的间隔宽度为〇. 3mm。该陶瓷阵列的制备方法如下：
[0044] (1)按陶瓷材料CeQ.Q5Gd2. 95Al2Ga3012化学计量比称量总质量为30g的高纯Ce0 2， Gd203, Ga203, A1 (N03) 3粉体，加入到12ml含3g分散剂聚丙烯酸铵的水溶液中，以ΑΙΑ为磨 球，高能球磨3h ;之后加入6g粘结剂聚乙烯醇，2. 5g塑性剂聚乙二醇，高能球磨10h，得到 陶瓷粉体浆料；
[0045] (2)将陶瓷粉体浆料真空脱泡后流延成膜，室温自然干燥3_5h后从基带上剥离； 之后在叠层实体制造系统上将流延膜上下层叠，形成厚度为8mm，横截面为36mmX96mm的 长方体陶瓷膜叠层，然后在叠层上沿层叠厚度方向加载20MPa压力成型，并保压5min，最后 用激光将该陶瓷膜叠层进行切割，切割厚度为5mm，使其横截面切割为24X64的小方块，小 方块尺寸为1. 2mmX 1. 2mm，激光切缝宽度为03mm ;
[0046] (3)将切割后的陶瓷膜叠层放入马夫炉中脱粘，脱粘温度为800°C，保温时间为 2h ;最后，将脱粘后的陶瓷膜叠层在氧气气氛中烧结，烧结温度为1650°C，保温时间为5h。
[0047] 上述制得的陶瓷阵列可用于CT探测器中的闪烁陶瓷阵列。
[0048] 实施例2 :
[0049] 本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为Cea(l5Gd2. 95Al2Ga3012，该陶瓷材料的阵列如 图1所示，为长方体阵列。如图2所示，阵列中的像素点（图2中标记为1)的横截面呈 1. 2mmX 1. 2mm(图2中标记为3、6)的正方形，厚度（图2中标记为5)为10mm，各像素点间 的间隔（图2中标记为2)的宽度（图2中标记为4、7)为0. 3_。该陶瓷阵列的制备方法 如下：
[0050] (1)按陶瓷材料Cea 95Al2Ga3012化学计量比称量总质量为30g的高纯 Ce02, Gd203, Ga203, A1 (N03)3粉体，加入到11ml含4g分散剂四甲基氢氧化铵的水溶液中，以 A1A为磨球，高能球磨3h ;之后加入6g粘结剂水性环氧树脂乳液，3g塑性剂脂肪族聚氨酯 乳液，高能球磨l〇h，得到陶瓷粉体浆料；
[0051] (2)将陶瓷粉体浆料真空脱泡后流延成膜，室温自然干燥3-5h后从基带上剥离； 之后在叠层实体制造系统上将流延膜上下层叠，如图3所示，形成横截面为36mmX96mm，厚 度为5mm(图3中标记为8)的长方体第一陶瓷膜叠层作为衬底；
[0052] (3)在第一陶瓷膜叠层表面再层叠流延膜，并用激光沿层叠厚度方向将该流延 膜切割为24X64的小方块像素点，每个像素点尺寸为1.2mmX 1.2mm，激光切缝宽度为 0. 3mm ；
[0053] (4)重复步骤（3)，直到第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到10mm的厚度，然后 沿层叠厚度方向加载20MPa轴向压力，并保压3min。
[0054] (5)将步骤（4)得到的陶瓷膜叠层放入马夫炉中脱粘，脱粘温度为800°C，保温时 间为2h ;最后，将脱粘后的陶瓷膜叠层在氧气气氛中烧结，烧结温度为1650°C，保温时间为 5h〇
[0055] 上述制得的陶瓷阵列可用于CT探测器中的闪烁陶瓷阵列。
[0056] 实施例3 :
[0057] 本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为Cea(l5Gd2. 95Al2Ga3012，该陶瓷材料的阵列为 长方体阵列，阵列中的像素点的横截面呈1. 2mmXl. 2mm的正方形，厚度为10mm，各像素点 间的间隔宽度为〇. 3mm。该陶瓷阵列的制备方法如下：
[0058] (1)按陶瓷材料Cea 95Al2Ga3012化学计量比称量总质量为30g的高纯 Ce02, Gd203, Ga203, A1 (N03) 3粉体，加入到30ml含0. 6g分散剂聚乙烯吡咯烷酮的乙醇/ 丁酮 溶液中，以A1203为磨球，高能球磨3h ;之后加入2. 6g粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，5. 2g塑性剂 邻苯二甲酸甲苯基丁酯，高能球磨l〇h，得到陶瓷粉体浆料；
[0059] (2)将陶瓷粉体浆料真空脱泡后流延成膜，室温自然干燥3_5h后从基带上剥离； 之后在叠层实体制造系统上将流延膜上下层叠，形成横截面为36mmX 96mm，厚度为3mm的 长方体第一陶瓷膜叠层；
[0060] (3)在第一陶瓷膜叠层表面再层叠流延膜，并用激光沿层叠厚度方向将该流延 膜切割为24X64的小方块像素点，每个像素点尺寸为1.2mmX 1.2mm，激光切缝宽度为 0. 3mm ；
[0061] (4)重复步骤（3)，直到第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到10mm厚度，然后沿 层叠厚度方向加压15MPa，并保压3min。
[0062] (5)将步骤（4)得到的陶瓷膜叠层放入马夫炉中脱粘，脱粘温度为500°C，保温时 间为2h ;最后，将脱粘后的陶瓷膜叠层在氧气气氛中烧结，烧结温度为1650°C，保温时间为 5h〇
[0063] 上述制得的陶瓷阵列可用于CT探测器中的闪烁陶瓷阵列。
[0064] 实施例4 :
[0065] 本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为CeauLUiGduAlfaWu，该陶瓷材料的阵列 为长方体阵列，阵列中的像素点的横截面呈1. lrnmXl. 1mm的正方形，厚度为10mm，各像素 点间的间隔宽度为〇. 28mm。该陶瓷阵列的制备方法如下：
[0066] (1)按陶瓷材料Ce^LupdnAlsGaA化学计量比称量总质量为30g的高纯Lu20 3， Ce02, Gd203, Ga203, A1 (N03) 3粉体，加入到30ml含0. 6g分散剂聚乙烯吡咯烷酮的乙醇/ 丁酮 溶液中，以A1203为磨球，高能球磨3h ;之后加入2. 6g粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，5. 2g塑性剂 邻苯二甲酸甲苯基丁酯，高能球磨l〇h，得到陶瓷粉体浆料；
[0067] (2)将陶瓷粉体浆料真空脱泡后流延成膜，室温自然干燥3_5h后从基带上剥离； 之后在叠层实体制造系统上将流延膜上下层叠，形成厚度为3mm，横截面为36mmX96mm的 长方体陶瓷膜叠层，然后沿层叠厚度方向加载20MPa压力，并保压3min，最后用激光将该陶 瓷膜叠层进行切割，切割厚度为l〇mm，使其横截面切割为24X64的小方块，小方块尺寸为 1. ImmX 1. 1mm，激光切缝宽度为0. 28mm ;
[0068] (3)将切割后的陶瓷膜叠层放入马夫炉中脱粘，脱粘温度为500°C，保温时间为 2h ;最后，将脱粘后的陶瓷膜叠层在氧气气氛中烧结，烧结温度为1620°C，保温时间为3h。
[0069] 上述制得的陶瓷阵列可用于CT探测器中的闪烁陶瓷阵列。
[0070] 实施例5 :
[0071] 本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为，该陶瓷材料的阵列 与实施例4中的陶瓷阵列相同。
[0072] 该陶瓷阵列的制备方法与实施例4中的制备方法基本相同，所不同的是：在步骤 ⑴中，：
[0073] (1)按陶瓷材料Ce^YiGcUAUScA的化学计量比称量总质量为30g的高纯Y20 3， Ce02, Gd203, Sc203, A1 (Ν03) 3粉体，加入到30ml含0. 6g分散剂聚乙烯吡咯烷酮的乙醇/ 丁酮 溶液中，以A1203为磨球，高能球磨3h ;之后加入2. 6g粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，5. 2g塑性剂 邻苯二甲酸甲苯基丁酯，高能球磨l〇h，得到陶瓷粉体浆料。
[0074] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和 权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种陶瓷阵列的制备方法，其特征是：包括如下步骤： (1) 按照陶瓷材料的组成分子式配料，得到陶瓷粉体，加入分散剂、粘结剂、溶剂，混合 均匀，得到陶瓷粉体浆料； (2) 将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠，得到陶瓷膜叠层，在陶瓷膜叠层 上按所需阵列图形进行激光切割，得到陶瓷膜阵列； (3) 将陶瓷膜阵列升温进行脱粘处理以除去粘结剂，最后进行高温烧结，得到陶瓷阵 列。
2. 如权利要求1所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的步骤（2)中，激光切缝 宽度为〇· 1_1臟。
3. 如权利要求1所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的步骤（2)具体由如下 过程（a)、（b)、（c)组成： (a) 将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠至第一层叠厚度，得到第一陶瓷膜 置层； (b) 在第一陶瓷膜叠层表面继续层叠流延膜，并用激光沿层叠厚度方向将该流延膜按 所需阵列图形进行切割； (c) 重复步骤（b)，直到第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到第二层叠厚度；或者， 所述的步骤（2)具体如下： 将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠至总层叠厚度，得到陶瓷膜叠层，然后 用激光沿层叠厚度方向将该陶瓷膜叠层按所需阵列图形进行切割，切割厚度小于所述的层 叠厚度。
4. 如权利要求3所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的总层叠厚度为8-25mm， 所述的切割厚度为3-15mm。
5. 如权利要求3所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的过程（c)中，当第一陶 瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到第二层叠厚度后，沿层叠厚度方向对流延膜加载压力，并 进行保压；或者，沿层叠厚度方向对所述的陶瓷膜叠层施加压力，并进行保压。
6. 如权利要求3所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的压力大小为l-30MPa， 优选为10_20MPa，保压时间为l-10min，优选为2-5min。
7. 如权利要求1至6中任一权利要求所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的 步骤（3)中，脱粘温度为500°C -1000°C，优选为500°C -800°C ;在脱粘温度下进行保温处 理，保温时间优选为l_5h，更优选为l-3h。
8. 如权利要求1至6中任一权利要求所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的 步骤（3)中，烧结温度为1500°C _1700°C，优选为1550°C _1650°C，保温时间为l-10h。
9. 如权利要求1至6中任一权利要求所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的 陶瓷材料为稀土发光离子掺杂且具有Α3Β 4012石榴石结构的氧化物陶瓷。
10. 利用权利要求1至6中任一权利要求所述的制备方法制得的陶瓷阵列用于CT探测 器用闪烁陶瓷阵列。
【文档编号】C04B35/622GK104193348SQ201410442563
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】罗朝华, 蒋俊, 江浩川 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所