一种采用核壳结构粉体制备YAG透明陶瓷的方法与流程

本发明属于陶瓷制备技术领域，涉及yag透明陶瓷的制备，具体涉及一种采用核壳结构粉体制备yag透明陶瓷的方法。

背景技术：

透明陶瓷自20世纪60年代出现以来，以其耐高温、耐腐蚀、优异的力学和光学性能等优点，广泛应用于激光、照明、医疗器械、军事以及国防等重要科技领域。目前，各种透明陶瓷材料层出不穷，如yag、倍半氧化物、尖晶石、氟化物等体系，已经在许多重要领域中获得初步应用。在现有所有的透明陶瓷材料中，yag透明陶瓷以其易于制备和良好的物理化学性能等优势，已经成为透明陶瓷材料研究领域的热点和重点。

当前，高质量yag透明陶瓷的主要通过真空烧结高活性的yag原料粉体来制备；使用的真空烧结的温度普遍在1760℃以上，才能得到高质量的yag透明陶瓷，对真空烧结设备要求较高。因此，为了进一步降低烧结温度，需要以活性更高的yag粉体为原料。目前，高活性的yag原料粉体主要通过共沉淀法来制备。

在共沉淀法制备高活性yag原料粉体的过程中，需要对前驱体凝胶进行反复洗涤，以除去多余的废弃离子、杂质和其他副产物，导致前驱体粒径较大，活性较低；需要在1000℃以上进行高温煅烧处理，才能得到高纯度的yag原料粉体。另外，该方法制备得到的yag原料粉体产量较低、工艺复杂、成本高，不足以满足产业化生产需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采用核壳结构粉体制备yag透明陶瓷的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种采用核壳结构粉体制备yag透明陶瓷的方法，具体步骤为：

(1)将0.5-0.8mol/l的y(no3)3溶液以0.5-3ml/min的速度加入到al2o3悬浮液中，沉淀剂为尿素，加入离子量满足y:al＝3:5的化学计量比，反应温度为50-80℃；

(2)将步骤(1)使用的尿素作为ph调节剂加入到al2o3浆料中，保持浆料ph＝8.8-9.1，固含量为35-60vol.％；

(3)将步骤(2)所得的浆料直接过滤，无需洗涤，即得到核壳结构粉体；

(4)将步骤(3)所得的核壳结构粉体恒温干燥，并将干燥后的粉体于300-500℃煅烧1-2h；

(5)向煅烧后的粉体中加入烧结助剂和ph＝7-12的碱性溶液，球磨混合6-16h；将球磨后的浆料恒温干燥，并将干燥后的粉体过筛；

(6)将步骤(5)过筛后的粉体置于模具中，先干压后冷等静压成型，随后将素坯置于马弗炉中，于300-500℃煅烧2-15h；

(7)将步骤(6)煅烧后的陶瓷素坯置于真空烧结炉中，于1680℃-1700℃真空烧结4-10h；

(8)将上述真空烧结的陶瓷样品置于空气气氛或氧气气氛中于800-1350℃退火2-10h，退火后的yag陶瓷进行研磨抛光，得到yag透明陶瓷。

优选的，步骤(4)中，恒温干燥的温度为100-120℃，时间为12-24h。

优选的，步骤(5)中，恒温干燥的温度为55-75℃，时间为12-24h。

优选的，步骤(5)中，所述过筛的网孔直径为80-200目。

优选的，步骤(6)中，所述干压的压力为2-6mpa，保压1-60s；所述冷等静压的压力为150-250mpa，冷等时间为3-8min。

优选的，步骤(5)中，所述球磨的转速为155-185r/min。

优选的，步骤(5)中，所述烧结助剂为二氧化硅、氧化镁、氧化钙中的一种或多种，所述碱性溶液为碳酸氢铵、碳酸铵、尿素、氨水中的一种或多种。

本发明先将氧化钇(y2o3)前驱体电沉淀于氧化铝(al2o3)粉体表面，形成核壳结构的前驱体粉体，且此沉淀物前驱体无需洗涤，后续可直接制备透明陶瓷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明采用无洗涤方式制备yag前驱粉体，产物中无废弃离子，粉体产量高、纯度高，粒径细小；制备过程简单易操作，成本低。

2.本发明采用沉淀法制备的核壳结构前驱体粉末，制备过程简单、处理温度300-500℃明显低于目前粉体预处理温度，且粉末组分均匀、符合化学计量比。

3.本发明采用真空烧结技术制备yag透明陶瓷，在低的烧结温度下，制备得到高质量透明陶瓷，1680-1700℃，明显低于目前烧制温度。

4.本发明实现高质量yag透明陶瓷制备，制备过程无需气氛辅助和烧结过程无需昂贵的压力烧结设备，经济节能、环境友好。

5.工艺流程简单，制备周期短，有利于降低成本要求，实现技术推广和商业推广。

附图说明

图1是按照实施例1、2、3、4所述制备的yag透明陶瓷的xrd图谱；

图2是按照实施例1、2、3、4所述制备的yag透明陶瓷的实物照片；

图3是按照实施例1、2、3、4所述制备的yag透明陶瓷的表面sem图；

图4是按照实施例1、2、3、4所述制备的的yag透明陶瓷的透过率曲线；

图5是对比例制备的yag透明陶瓷的实物图；

图6是对比例制备的yag透明陶瓷的透过率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

(1)将0.5mol/l的y(no3)3溶液以0.5ml/min的速度加入到al2o3悬浮液中，沉淀剂为尿素，加入离子量满足y:al＝3:5的化学计量比，反应温度为50℃；

(2)将步骤(1)使用的尿素作为ph调节剂加入到al2o3浆料中，保持浆料ph＝8.8，固含量为35vol.％；

(3)将步骤(2)所得的浆料直接过滤，无需洗涤，即可得到核壳结构粉体；

(4)将步骤(3)所得的粉体在100℃恒温烘箱中干燥24h,并将所得的粉体低温300℃煅烧1h；

(5)向煅烧后的粉体中加入烧结助剂二氧化硅和ph＝9的碳酸氢铵溶液，球磨混合10h，球磨的转速为165r/min；将所得到的浆料在55℃的恒温烘箱中干燥12h，将所得粉体过200目筛；

(6)将步骤(5)过筛后的粉体置于模具中，先干压(5mpa，保压30s)后冷等静压(200mpa，冷等时间为6min)成型，随后将素坯置于马弗炉中，采用300℃煅烧2h；

(7)将步骤(6)得到的煅烧后的陶瓷素坯置于真空烧结炉中，采用1680℃真空烧结4h。

(8)将上述真空烧结的陶瓷样品于800℃采用空气气氛或氧气气氛退火2h。退火后的yag陶瓷均进行研磨抛光，得到yag透明陶瓷。

实施例2

(1)将0.8mol/l的y(no3)3溶液以3ml/min的速度加入到al2o3悬浮液中，沉淀剂为尿素，加入离子量满足y:al＝3:5的化学计量比，反应温度为80℃；

(2)将步骤(1)使用的尿素作为ph调节剂加入到al2o3浆料中，保持浆料ph＝9.1，固含量为60vol.％；

(3)将步骤(2)所得的浆料直接过滤，无需洗涤，即可得到核壳结构粉体；

(4)将步骤(3)所得的粉体在120℃恒温烘箱中干燥24h，并将所得的粉体低温500℃煅烧2h；

(5)向煅烧后的粉体中加入烧结助剂氧化镁和ph＝8的碳酸铵溶液，球磨混合16h，球磨的转速为155r/min；将所得到的浆料在75℃的恒温烘箱中干燥24h,将所得粉体过100目筛；

(6)将步骤(5)过筛后的粉体置于模具中，先干压(4mpa，保压30s)后冷等静压(200mpa，冷等时间为5min)成型；随后将素坯置于马弗炉中，采用500℃煅烧15h。

(7)将步骤(6)得到的煅烧后的陶瓷素坯置于真空烧结炉中，采用1700℃真空烧结10h；

(8)将上述真空烧结的陶瓷样品于1350℃采用空气气氛或氧气气氛退火10h。退火后的yag陶瓷均进行研磨抛光，得到yag透明陶瓷。

实施例3

(1)将0.6mol/l的y(no3)3溶液以2ml/min的速度加入到al2o3悬浮液中，沉淀剂为尿素，加入离子量满足y:al＝3:5的化学计量比，反应温度为65℃；

(2)将步骤(1)使用的尿素作为ph调节剂加入到al2o3浆料中，保持浆料ph＝9，固含量为50vol.％；

(3)将步骤(2)所得的浆料直接过滤，无需洗涤，即可得到核壳结构粉体；

(4)将步骤(3)所得的粉体在110℃恒温烘箱中干燥18h，并将所得的粉体低温400℃煅烧1.5h；

(5)向煅烧后的粉体中加入烧结助剂氧化钙和ph＝7.2的尿素溶液，球磨混合16h，球磨的转速为155r/min；将所得到的浆料在65℃的恒温烘箱中干燥18h，将所得粉体过80目筛；

(6)将步骤(5)过筛后的粉体置于模具中，先干压(6mpa，保压1s)后冷等静压(250mpa，冷等时间为3min)成型；随后将素坯置于马弗炉中，采用400℃煅烧8h。

(7)将步骤(6)得到的煅烧后的陶瓷素坯置于真空烧结炉中，采用1690℃真空烧结7h；

(8)将上述真空烧结的陶瓷样品于1050℃采用空气气氛或氧气气氛退火6h。退火后的yag陶瓷均进行研磨抛光，得到yag透明陶瓷。

实施例4

(1)将0.6mol/l的y(no3)3溶液以1ml/min的速度加入到al2o3悬浮液中，沉淀剂为尿素，加入离子量满足y:al＝3:5的化学计量比，反应温度为70℃；

(2)将步骤(1)使用的尿素作为ph调节剂加入到al2o3浆料中，保持浆料ph＝9.0，固含量为55vol.％；

(3)将步骤(2)所得的浆料直接过滤，无需洗涤，即可得到核壳结构粉体；

(4)将步骤(3)所得的粉体在110℃恒温烘箱中干燥18h，并将所得的粉体低温500℃煅烧2h；

(5)向煅烧后的粉体中加入烧结助剂氧化镁、氧化钙和ph＝12的氨水溶液，球磨混合6h，球磨的转速为185r/min；将所得到的浆料在55-75℃的恒温烘箱中干燥18h，将所得粉体过150目筛；

(6)将步骤(5)过筛后的粉体置于模具中，先干压(2mpa，保压60s)后冷等静压(150mpa，冷等时间为8min)成型；随后将素坯置于马弗炉中，采用400℃煅烧9h；

(7)将步骤(6)得到的煅烧后的陶瓷素坯置于真空烧结炉中，采用1690℃真空烧结7h。

(8)将上述真空烧结的陶瓷样品于1200℃采用空气气氛或氧气气氛退火8h。退火后的yag陶瓷均进行研磨抛光，得到yag透明陶瓷。

对比例

本对比例成型工艺步骤和烧结方式与上述实施例1相同，不同的是：主要原料为y2o3、al(no3)·9h2o和hno3等；具体步骤是：

(1)将y2o3、al(no3)·9h2o按n(al):n(y)＝5:3溶解在稀硝酸溶液中，配制成混合金属硝酸盐溶液，将配制好的金属硝酸盐溶液以1.5ml/min的速度加入到碳酸氢铵溶液中，同时搅拌，生成乳白色沉淀，过滤；

(2)分别用去离子水、无水乙醇及丙酮溶液洗涤沉淀物之后，在80℃烘箱中干燥24h，得到前驱体粉体；

(3)将前驱体粉体球磨后烘干并过200目筛，然后将过筛后的前驱体粉体在900℃煅烧4h得到yag原料粉体，

(4)将原料粉体压片(压片参数与实施例1相同)，随后将素坯置于马弗炉中，采用800℃煅烧6h；

(5)将煅烧后的陶瓷素坯置于真空烧结炉中，在1750℃真空烧结保温8h；

(6)将上述真空烧结的陶瓷样品在1450℃退火，双面抛光至1mm。

图1:按照实施例1、2、3、4所述制备的yag透明陶瓷的xrd图谱，所有陶瓷均为纯yag相，无杂相或二次相存在；

图2:按照实施例1、2、3、4所述制备的yag透明陶瓷的实物照片，陶瓷下面的文字清晰可见，表明该陶瓷具有良好的透光性能，光学性能优异；

图3:按照实施例1、2、3、4所述制备的yag透明陶瓷的表面sem图，表明该陶瓷晶粒尺寸均匀、无残余气孔或二次相存在；

图4:按照实施例1、2、3、4所述制备的的yag透明陶瓷的透过率曲线，其在1064nm处的透过率均达到84％以上，说明该陶瓷具有优异的光学质量。

图5:对比例制备的yag透明陶瓷的实物图，该陶瓷下的文字稍有模糊；

图6:对比例制备的yag透明陶瓷的及其透过率曲线，样品在1064nm处的透过率仅为68.2％。