一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法与流程

本发明涉及一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，属于透明陶瓷制备的生产技术领域。

背景技术：

氧化钇(y2o3)透明陶瓷材料是一种高性能的陶瓷材料。它具有耐热、耐腐蚀、熔点高(2430℃)，介电常数高(12～20)等优良性能，且属于立方晶系，没有双折射现象，并且具有一般陶瓷所不具备的高顺磁性和荧光性质等，是一种性能优良的高温红外材料和电子材料，。可以广泛用作光学元件，如高温光学窗口、激光红外窗口、红外发生器管壳等。添加nd、yb、ce、ho等稀土元素后，y2o3透明陶瓷还可作为固体激光器的增益介质。

在制备氧化钇透明陶瓷原料粉体的方法中，共沉淀法被广泛采用。共沉淀法制备粉体包括前驱体制备、氧化钇粉体制备、成型、烧结、研磨抛光等过程。共沉淀法通过将溶液中金属离子与沉淀剂发生反应得到前驱体，再将前驱体干燥并且煅烧分解，从而获得所需要的氧化钇粉体。将制备的粉体经过干压和冷等静压成型，压成素坯形状后，再经过烧结、研磨抛光等步骤，获得氧化钇透明陶瓷。共沉淀法具有效率高、粉体粒径小、均匀性高等优点。通过共沉淀法制备出的氧化钇原料粉体颗粒尺寸小，往往只有纳米级，均匀性好，活性较高。

但是在共沉淀法过程中也存在许多问题，比如批次不稳定和可重复性差。许多实验者采用几乎完全相同的工艺制备粉体和透明陶瓷，最后的陶瓷光学性能却差异很大。原因主要是因为共沉淀法制备透明陶瓷的共沉淀阶段仍有许多因素没有被关注，比如搅拌过程中搅拌速度。搅拌速度的改变会直接影响溶液反应的均匀性，从而影响粉体的纯度、分散性、烧结活性和形貌，从而影响最后所得的透明陶瓷的光学性能。搅拌速度过低，则会严重影响实验进程，而且前驱体成核阶段晶核沉降的概率大大提高，得到的往往粉体粒径过大，烧结现象严重；搅拌速度过高，则会使得晶核碰撞概率大幅度提高，得到的粉体往往团聚现象较为严重。且过大的搅拌速度也会溅起水花，引起硝酸钇溶液的浪费。因此，一个合理的搅拌速度范围对可控地制备氧化钇透明陶瓷具有很大意义。

技术实现要素：

为有效解决共沉淀法制备纳米氧化钇粉体过程中由于搅拌速度不确定导致的批次不稳定和可重复性差等问题，发明了一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法。此方法可有效解决共沉淀法制备纳米氧化钇粉体过程中批次不稳定、可重复性差、透明陶瓷性能不稳定等问题，极大地提高了反应过程中的实验效率，且实验结果更加可控、操作简单、成品率高。

本发明是由如下技术方案实现：

本发明提供一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，该方法采用共沉淀法制备氧化钇透明陶瓷，在沉淀反应阶段，反应溶液的搅拌速率控制在330～430r/min，它包括如下步骤：

1)共沉淀反应：向容器中倒入硝酸钇溶液，钇离子溶液浓度范围为0.05～0.3mol/l，向硝酸钇溶液中加入(nh4)2so4作为分散剂，采用搅拌器对混合溶液进行搅拌；搅拌均匀后将沉淀剂用蠕动泵泵送至硝酸钇溶液溶液中；当ph值达7.8～9.0时，停止喷射和搅拌，将反应溶液静置陈化12～36h；抽滤结束后将得到的前驱体干燥，以去除前驱体中的无水乙醇；

2)煅烧：将干燥后的前驱体粉末进行过筛处理，过筛后放入马弗炉中进行900～1300℃煅烧1～3h，得到纳米氧化钇粉体；

3)成型：将煅烧后的氧化钇粉体进行过筛处理，并将所得粉体进行干压成型，随后进行冷等静压；

4)烧结：将素坯在马弗炉中进行素烧，去除有机物。再将素烧后的素坯其放入真空烧结炉中进行真空烧结、退火；

5)研磨抛光：将退火后的陶瓷片进行双面研磨抛光至1-3mm，得到氧化钇透明陶瓷。

进一步的，所述的一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，所述的步骤(1)中搅拌器的旋转直径与置放反应溶液的容器直径d/t范围为0.3～0.45，分散剂的氨水和碳酸氢铵的复合沉淀剂，碳酸氢铵和氨水浓度范围为1.5～2mol/l，碳酸氢铵与氨水摩尔比范围为0～3；沉淀剂泵送到硝酸钇溶液的方式为滴入或者喷入，泵送硝酸钇溶液时泵送范围为2～10ml/min。

进一步的，所述的一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，所述的步骤(1)中(nh4)2so4与y(no3)3摩尔比范围为5～30mol％，加入分散剂后搅拌时间范围为0.5～1h，碳酸氢铵和氨水浓度范围为1.5～2mol/l。

进一步的，所述的一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，所述的步骤(1)中干燥温度范围为30～60℃，干燥时间范围为12～36h。

进一步的，所述的一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中干压压力范围为15～30mpa，保压时间范围为1～3min，压为直径范围为15～30mm的圆形素坯；冷等静压的压力范围为180～240mpa，保压时间范围为3～10min。

进一步的，所述的一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中素烧时间范围为3-8h，素烧温度范围为700～900℃，真空烧结时间范围为4～16h，烧结温度范围为1600～1800℃；退火温度范围为1100～1300℃，退火时间范围为8～12h。

进一步的，所述的一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，其特征在于：在沉淀反应阶段，所述的反应溶液的搅拌速率控制在380～400r/min。

进一步的，所述的一种共沉淀制备氧化钇透明陶瓷的方法，其特征在于：在沉淀反应阶段，所述的反应溶液的搅拌速率控制在390r/min。

发明详述：

首先，配置硝酸钇溶液及氨水和碳酸氢铵的复合沉淀剂溶液；然后，将沉淀剂溶液泵送到硝酸钇溶液中，共沉淀过程搅拌器进行搅拌。反应终点ph值在8～9之间，停止泵送和搅拌；将溶液静置陈化后再依次加入去离子和乙醇进行抽滤、干燥、煅烧，得到纳米y2o3粉体。再将y2o3粉体进行干压成型、冷等静压成型后，将素坯进行素烧、真空烧结、退火，再经过研磨抛光，最后得到y2o3透明陶瓷，其主要内容是在共沉淀反应过程中，对反应溶液的搅拌速率受到严格精确控制，具体步骤如下：

1)共沉淀反应：向容器中倒入硝酸钇溶液，钇离子溶液浓度范围为0.05～0.3mol/l，向硝酸钇溶液中加入(nh4)2so4作为分散剂。采用搅拌器对混合溶液进行搅拌。搅拌均匀后将沉淀剂用蠕动泵泵送至硝酸钇溶液溶液中。用ph计测量反应溶液的ph值，当ph值达到特定值(7.8～9.0)时，停止喷射和搅拌，将反应溶液静置陈化12～36h。将陈化后的溶液进行抽滤，用去离子水洗2～5遍，以去除反应副产物no3^-、nh4⁺离子，无水乙醇洗2～5遍，以去除残余水分。抽滤结束后将得到的前驱体放入烘箱中干燥，以去除前驱体中的无水乙醇。

2)煅烧：将干燥后的前驱体粉末进行过筛处理，过筛后放入马弗炉中进行900～1300℃煅烧1～3h，得到纳米氧化钇粉体。

3)成型：将煅烧后的氧化钇粉体进行过筛处理，并将所得粉体进行干压成型，随后进行冷等静压。

4)烧结：将素坯在马弗炉中进行素烧，去除有机物。再将素烧后的素坯其放入真空烧结炉中进行真空烧结、退火。

5)研磨抛光：将退火后的陶瓷片进行双面研磨抛光至1～3mm，得到氧化钇透明陶瓷。

进一步的，步骤(1)中搅拌器的旋转直径与置放反应溶液的容器直径d/t范围为0.3～0.45，分散剂的氨水和碳酸氢铵的复合沉淀剂，碳酸氢铵和氨水浓度范围为1.5～2mol/l，碳酸氢铵与氨水摩尔比范围为0～3。,沉淀剂泵送到硝酸钇溶液的方式为滴入或者喷入，泵送硝酸钇溶液时泵送范围为2～10ml/min。

进一步的，步骤(1)中(nh4)2so4与y(no3)3摩尔比范围为5～30mol％，加入分散剂后搅拌时间范围为0.5～1h，搅拌转速范围为330-430r/min，碳酸氢铵和氨水浓度范围为1.5～2mol/l。

进一步的，步骤(1)中干燥温度范围为30～60℃，干燥时间范围为12～36h。

进一步的，步骤(3)中干压压力范围为15～30mpa，保压时间范围为1-3min，压为直径范围为15～30mm的圆形素坯。冷等静压的压力范围为180～240mpa，保压时间范围为3～10min。

进一步的，步骤(4)中素烧时间范围为6～15h，素烧温度范围为700～900℃，真空烧结时间范围为4～20h，烧结温度范围为1600～1800℃。退火温度范围为1100～1300℃，退火时间范围为8～12h。

有益效果

本发明提供用共沉淀法制备氧化钇透明陶瓷，一方面，在沉淀反应阶段，反应溶液的搅拌速率控制在330～430r/min，可使溶液内部浓度分布均匀，防止由于搅拌速度不合理造成的过多局部循环和分层现象，从而导致的粉体团聚严重、粒径分布不均匀陶瓷透过率不稳定等现状。对设备要求低、成本低、效率高。适合规模化大批量生产。这种制备方法非常适合可控制备氧化钇透明陶瓷。另一方面，搅拌速度的流场模拟由ansyscfx软件进行分析完成，该分析操作简单，不需要反复进行实验来得到合适的转速，可大大减小实验过程的时间和人力成本，极大地推动了实验进展的速率。

附图说明

1.如图1所示为搅拌器在300r/min转速下的流场示意图。

2.如图2所示为搅拌器在330r/min转速下的流场示意图。

3.如图3所示为搅拌器在390r/min转速下的流场示意图。

4.如图4所示为搅拌器在450r/min转速下的流场示意图。

5.如图5所示为前驱体粉体的场发射图。

6.如图6所示为不同转速下前驱体xrd图谱。

7.如图7所示为纳米氧化钇粉体的场发射图，通过运用330r/min的转速制备所得的纳米氧化氧化钇粉体颗粒分布均匀，平均尺寸为145.6nm。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：300r/min搅拌转速下制备氧化钇透明陶瓷

向容器中倒入硝酸钇溶液，钇离子溶液浓度范围为0.15mol/l，向硝酸钇溶液中加入8mol％(nh4)2so4作为分散剂。采用搅拌器对混合溶液进行搅拌，搅拌器的旋转直径与置放反应溶液的容器直径d/t范围为0.40，搅拌转速为300r/min。如图1所示为搅拌器在300r/min转速下的流场示意图，可以发现当搅拌转速不在330～430r/min范围内时，流体场比较混乱，轴对称效果差，且局部循环过多，从而会影响不同区域处的溶液浓度。搅拌0.5h后对溶液进行沉淀剂的泵送并继续以300r/min的转速对反应进行搅拌。用ph计测量反应溶液的ph值，当ph值达到特定值8.0时，停止泵送沉淀剂和搅拌，将反应溶液静置陈化24h。将陈化后的溶液进行抽滤，用去离子水洗3遍，以去除反应副产物no3^-、nh4⁺离子，无水乙醇洗3遍，以去除残余水分。抽滤结束后将得到的前驱体放入烘箱中干燥24h，干燥温度为50℃，以去除前驱体中的无水乙醇。

将干燥后的前驱体粉末进行过筛处理，过筛后放入马弗炉中进1100℃煅烧2h，得到纳米氧化钇粉体。将煅烧后的氧化钇粉体进行过筛处理，并将所得粉体进行干压成型，随后进行冷等静压。其中干压压力为20mpa，保压时间为2min，压为直径范围为16mm的圆形素坯。冷等静压的压力范围为200mpa，保压时间范围为5min。

将素坯在马弗炉中进行素烧，去除有机物，其中素烧时间为6h，素烧温度范围为800℃。再将素烧后的素坯其放入真空烧结炉中进行真空烧结、退火。其中真空烧结时间为8h，烧结温度为1700℃。退火温度为1200℃，退火时间为10h。

将退火后的陶瓷片进行双面研磨抛光至2mm，得到氧化钇透明陶瓷，该陶瓷的光学性能不佳，在1064nm处的透过率为52％。

实施例2：330r/min搅拌转速下制备氧化钇透明陶瓷

向容器中倒入硝酸钇溶液，钇离子溶液浓度范围为0.05mol/l，向硝酸钇溶液中加入5mol％(nh4)2so4作为分散剂。采用搅拌器对混合溶液进行搅拌，搅拌器的旋转直径与置放反应溶液的容器直径d/t为0.45，搅拌转速为330r/min。如图2所示为搅拌器在330r/min转速下的流场示意图。该流场流体流型为轴向流，搅拌器轴线两侧各有一个轴向循环，循环效果较好，且无分层和局部循环现象。有利于金属盐溶液与沉淀剂溶液发生反应。同时，该流型大幅度减少了前驱体阶段晶核碰撞的几率，有利于晶核的生长，也避免了硝酸钇溶液的浪费。搅拌0.5h后对溶液进行沉淀剂的泵送并继续以330r/min的转速对反应进行搅拌。用ph计测量反应溶液的ph值，当ph值达到特定值7.8时，停止泵送沉淀剂和搅拌，将反应溶液静置陈化12h。将陈化后的溶液进行抽滤，用去离子水洗2遍，以去除反应副产物no3^-、nh4⁺离子，无水乙醇洗2遍，以去除残余水分。抽滤结束后将得到的前驱体放入烘箱中干燥12h，干燥温度为30℃，以去除前驱体中的无水乙醇。.如图5所示为前驱体粉体的场发射图。通过运用330r/min转速制备所得的前驱体分散性好、无团聚现象。如图6所示为不同转速下前驱体xrd图谱，可以发现采用不同转速的前驱体xrd图明显差异很大，所以在共沉淀反应阶段，搅拌速率需要精确控制(330～430r/,min)。

将干燥后的前驱体粉末进行过筛处理，过筛后放入马弗炉中进900℃煅烧3h，得到纳米氧化钇粉体。如图7所示为纳米氧化钇粉体的场发射图，通过运用330r/min的转速制备所得的纳米氧化氧化钇粉体颗粒分布均匀，平均尺寸为145.6nm。将煅烧后的氧化钇粉体进行过筛处理，并将所得粉体进行干压成型，随后进行冷等静压。其中干压压力为15mpa，保压时间为1min，压为直径范围为15mm的圆形素坯。冷等静压的压力范围为180mpa，保压时间范围为3min。

将素坯在马弗炉中进行素烧，去除有机物，其中素烧时间为3h，素烧温度范围为700℃。再将素烧后的素坯其放入真空烧结炉中进行真空烧结、退火。其中真空烧结时间为4h，烧结温度为1600℃。退火温度为1100℃，退火时间为8h。

将退火后的陶瓷片进行双面研磨抛光至1mm，得到氧化钇透明陶瓷，该陶瓷的光学性能良好，在1064nm处的透过率为77％。。

实施例3：390r/min搅拌转速下制备氧化钇透明陶瓷

向容器中倒入硝酸钇溶液，钇离子溶液浓度范围为0.30mol/l，向硝酸钇溶液中加入30mol％(nh4)2so4作为分散剂。采用搅拌器对混合溶液进行搅拌，搅拌器的旋转直径与置放反应溶液的容器直径d/t范围为0.35，搅拌转速为390r/min。如图3所示为搅拌器在390r/min转速下的流场示意图。该流场流体流型为轴向流，搅拌器轴线两侧各有一个轴向循环，循环效果非常好，且无分层和局部循环现象。有利于金属盐溶液与沉淀剂溶液发生反应。同时，该流型大幅度减少了前驱体阶段晶核碰撞的几率，有利于晶核的生长，也避免了硝酸钇溶液的浪费。搅拌0.5h后对溶液进行沉淀剂的泵送并继续以390r/min的转速对反应进行搅拌。用ph计测量反应溶液的ph值，当ph值达到特定值9.0时，停止泵送沉淀剂和搅拌，将反应溶液静置陈化36h。将陈化后的溶液进行抽滤，用去离子水洗5遍，以去除反应副产物no3^-、nh4⁺离子，无水乙醇洗5遍，以去除残余水分。抽滤结束后将得到的前驱体放入烘箱中干燥36h，干燥温度为60℃，以去除前驱体中的无水乙醇。

将干燥后的前驱体粉末进行过筛处理，过筛后放入马弗炉中进1300℃煅烧2h，得到纳米氧化钇粉体。将煅烧后的氧化钇粉体进行过筛处理，并将所得粉体进行干压成型，随后进行冷等静压。其中干压压力为20mpa，保压时间为2min，压为直径范围为16mm的圆形素坯。冷等静压的压力范围为200mpa，保压时间范围为5min。

将素坯在马弗炉中进行素烧，去除有机物，其中素烧时间为8h，素烧温度范围为900℃。再将素烧后的素坯其放入真空烧结炉中进行真空烧结、退火。其中真空烧结时间为16h，烧结温度为1800℃。退火温度为1300℃，退火时间为12h。

将退火后的陶瓷片进行双面研磨抛光至3mm，得到氧化钇透明陶瓷，该陶瓷的透过率良好，在1064nm处的透过率为79％。。

实施例4：450r/min搅拌转速下制备氧化钇透明陶瓷

向容器中倒入硝酸钇溶液，钇离子溶液浓度为0.20mol/l，向硝酸钇溶液中加入20mol％(nh4)2so4作为分散剂。采用搅拌器对混合溶液进行搅拌，搅拌器的旋转直径与置放反应溶液的容器直径d/t范围为0.35，搅拌转速为450r/min。如图4所示为搅拌器在450r/min转速下的流场示意图，可以发现当搅拌转速不在330～430r/min范围内时，流体场比较混乱，轴对称效果差，且局部循环过多，从而会影响不同区域处的溶液浓度。搅拌0.5h后对溶液进行沉淀剂的泵送并继续以450r/min的转速对反应进行搅拌。用ph计测量反应溶液的ph值，当ph值达到特定值8.0时，停止泵送沉淀剂和搅拌，将反应溶液静置陈化12h。将陈化后的溶液进行抽滤，用去离子水洗4遍，以去除反应副产物no3^-、nh4⁺离子，无水乙醇洗4遍，以去除残余水分。抽滤结束后将得到的前驱体放入烘箱中干燥24h，干燥温度为50℃，以去除前驱体中的无水乙醇。

将干燥后的前驱体粉末进行过筛处理，过筛后放入马弗炉中进1250℃煅烧2h，得到纳米氧化钇粉体。将煅烧后的氧化钇粉体进行过筛处理，并将所得粉体进行干压成型，随后进行冷等静压。其中干压压力为22mpa，保压时间为2min，压为直径范围为16mm的圆形素坯。冷等静压的压力范围为200mpa，保压时间范围为5min。

将素坯在马弗炉中进行素烧，去除有机物，其中素烧时间为6h，素烧温度为800℃。再将素烧后的素坯其放入真空烧结炉中进行真空烧结、退火。其中真空烧结时间为9h，烧结温度为1700℃。退火温度为1250℃，退火时间为12h。

将退火后的陶瓷片进行双面研磨抛光至3mm，得到氧化钇透明陶瓷，该陶瓷的光学性能不佳，在1064nm处的透过率为67％。