一种Y2O3-MgO纳米复相红外透明陶瓷的制备方法与流程

本发明涉及一种红外宽波段、高透过率的y2o3-mgo纳米复相陶瓷的制备方法，具体涉及将y2o3-mgo复相纳米粉体压制成的素坯，通过两步烧结工艺获得致密的陶瓷胚体，再通过热等静压烧结制备出细晶粒致密化的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷及其制品。

背景技术：

红外窗口/球罩具有良好的机械、热学、光学等性能，起到保护红外光电系统内部精密光电元器件及其为探测器/传感器传递目标红外信号等的重要作用，是保证红外制导精度的先决条件。随着超音速飞行器从超音速向高超音速的不断发展，红外窗口/球罩面临越来越多的新挑战，对红外光学材料的宽波段透过率、机械强度及耐热冲击性能、红外低辐射特性提出越来越高的性能需求。

近几年，高透过率、低发射率的y2o3透明陶瓷的性能改进取得重要进展，通过共掺杂、晶粒细化等手段获得了抗弯强度超过180mpa的y2o3透明陶瓷窗口材料，在超音速中红外窗口候选材料中显示出了极大的应用前景。但其抗弯强度依旧未能满足高超音速飞行器红外窗口的应用需求。发展高超极端环境下服役的红外光窗材料迫在眉睫，利用纳米复相对y2o3进行改性的材料设计理念应运而生。针对透过率问题，选择中红外截止波长较长的mgo；针对晶界散射问题，利用两相的钉扎效应实现晶粒纳米化；针对强度问题，引入mgo相，利用复相增强、细化晶粒增强。制备y2o3和mgo两相体积比接近1:1、两相均匀分布的细晶粒、高致密度纳米复相陶瓷，中红外透过率可达到83％，抗弯强度超过250mpa，300℃高温发射率低于0.02，成为未来高超音速飞行器红外窗口材料的希望和重要候选。

在制备致密化的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的烧结工艺上，采用热压烧结(hp)、放电等离子体烧结(sps)、微波烧结、常规烧结后辅助热等静压烧结(hip)等烧结方法，均能够制备出致密的y2o3-mgo纳米复相陶瓷。但这些烧结工艺制备的产品都存在些问题，如放电等离子体烧结和微波烧结不适宜制备大尺寸的产品；热压烧结制备的大尺寸样品致密度不均匀，整体性能不佳；常规烧结后辅助热等静压烧结的样品晶粒尺寸相对较大，3～5μm波段的平均透过率较低，抗弯强度大幅降低，且难以优化；采用热压烧结和放电等离子体烧结工艺烧结获得的样品，残余在样品中的碳难以完全除尽，会影响产品的热学、光学、力学等性能，并且对样品的抗热震性等高温性能不利，最终将会影响y2o3-mgo纳米复相陶瓷产品的综合性能。

宾夕法尼亚大学的cheniw等[cheniw,wangxh.sinteringdensenanocrystallineceramicswithoutfinal-stagegraingrowth[j].nature,2000,404(6774):168.]报道了两步烧结制备致密化、细晶粒的y2o3陶瓷材料的方法，无须压力辅助，也未引入碳的污染。韩国科学技术院的hojinma等[mahj,jungwk,yongsm,etal.microstructuralfreezingofhighlynirtransparenty2o3-mgonanocompositeviapressure-assistedtwo-stepsintering[j].journaloftheeuropeanceramicsociety,2019,39(15):4957-4964.]研究了在压力辅助下的热压两步烧结方法，成功制备了致密化、细晶粒的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷。但是这些研究也存在些不足，没有压力辅助的两步烧结工艺不能够制备出红外高透过的y2o3-mgo纳米复相陶瓷；压力辅助的热压两步烧结方法制备的样品中也存在碳的污染，而且不易制备大尺寸的高性能样品。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种红外宽波段、高透过率的y2o3-mgo纳米复相陶瓷的制备方法，克服现有制备红外透过y2o3-mgo纳米复相陶瓷的方法所具有的缺陷。该方法采用y2o3-mgo复相纳米粉体压制的素坯在马弗炉中空气氛围下实行两步烧结工艺获得致密的陶瓷胚体，然后再辅助以热等静压烧结，获得红外透明的y2o3-mgo纳米复相陶瓷。该方法制备的复相陶瓷样品密度接近理论密度，晶粒尺寸细小，红外透过波段宽，中红外平均透过率高，烧结工艺中未引入碳污染，烧结工艺简单，所需烧结设备简单，降低了生产成本，适合大尺寸样品的制备，便于大规模工业化生产。

本发明的技术方案如下：

采用已有的y2o3-mgo复相纳米粉体压制的素坯在马弗炉中空气氛围下实行两步烧结工艺获得致密的陶瓷胚体，然后再辅助以热等静压烧结，制备获得红外透明的y2o3-mgo纳米复相陶瓷。

上述制备方法包含二个阶段，具体步骤如下：

第一阶段：将素坯在马弗炉中空气氛围下实行两步烧结工艺获得陶瓷坯体：

步骤1.1)将y2o3-mgo复相纳米粉体采用模具压制成素坯；

步骤1.2)将步骤1.1)所述的素坯在马弗炉中空气氛围下实行两步烧结工艺，具体工艺如下：第一步的烧结温度为1300-1600℃，升温速率为1-60℃/min，保温时间为0-30min；然后以1-300℃/min的降温速率降温，开始第二步烧结，第二步的烧结温度低于第一步的烧结温度，并进行保温0.5-100小时，自然降温后获得致密的陶瓷胚体；

第二阶段：陶瓷胚体进行热等静压烧结和加工后获得陶瓷样品：

步骤2.1)采用热等静压烧结炉对步骤1.2)所述的陶瓷坯体进行热等静压烧结，烧结温度为1200-1500℃，保温时间为0.5-5小时，ar气气氛加压压力为50-250mpa，升温和降温速率均为5-15℃/min，获得致密的陶瓷样品；

步骤2.2)对步骤2.1)所述的陶瓷样品在马弗炉内进行退火处理，温度为600-1250℃，保温时间为5-30小时，升温和降温速率均为2-5℃/min；

步骤2.3)对步骤2.2)得到的退火处理样品进行双面镜面抛光，获得红外透明复相陶瓷产品。

步骤1.1)所述的y2o3-mgo复相纳米粉体，y2o3纳米粉体和mgo纳米粉体的物质的量的比为1：2至1：6，且制备过程中已混合均匀。

步骤1.1)所述的模具的直径为或的金属模具。

步骤1.2)所述的空气氛围是指在马弗炉中空气环境。

步骤1.2)所述的两步烧结工艺，第二步的烧结温度低于第一步的烧结温度10-400℃。

步骤1.2)所述的经过马弗炉空气气氛下两步烧结之后的陶瓷坯体的致密度大于90％，低于100％。

步骤2.1)所述的陶瓷样品的致密度大于99％，低于100％。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

通过本发明方法获得的红外透明的y2o3-mgo纳米复相陶瓷样品，其密度接近理论密度，晶粒尺寸小，中红外3-6μm的平均透过率(厚度2.0mm)大于76％，优于常规烧结后辅助热等静压烧结制备的样品。

烧结工艺中未引入碳污染，烧结工艺简单，烧结设备简单，降低了生产成本，适合大尺寸样品的制备，便于大规模工业化生产。

附图说明

图1为实施例1制备出的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线。

图2为实施例1所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图。

图3为实施例2所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线。

图4为实施例2所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图。

图5为实施例3所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线。

图6为实施例3所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图。

图7为实施例4所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线。

图8为实施例4所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图。

图9为实施例5所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线。

图10为实施例5所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图。

图11为实施例6所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线。

图12为实施例6所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图说明对本发明进行进一步说明，这些实例仅用于说明本发明但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

将采用y2o3纳米粉体和mgo纳米粉体的物质的量的比为1：4的均匀混合的y2o3-mgo复相纳米粉体压制的素坯置于马弗炉中在空气氛围下实行两步烧结工艺，控制第一步的烧结温度为1400℃，升温速率为10℃/min，保温时间为0min；然后以50℃/min的降温速率降温至1290℃，开始第二步烧结，并保温30小时，自然降温后获得致密的陶瓷胚体；再采用热等静压烧结炉对上述的陶瓷坯体进行热等静压烧结，烧结温度为1300℃，保温时间为2小时，ar气气氛加压压力为200mpa，升温和降温速率均为10℃/min，获得致密的陶瓷样品；将该样品在1000℃下退火处理15小时，升温和降温速率均为3℃/min；然后进行双面高精度镜面抛光加工，获得厚度为2.0mm的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷。

图1为实施例1所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线。中红外3-6μm的平均透过率(厚度2.0mm)大于76％。

图2为实施例1所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图；从图中可以看出，平均晶粒尺寸在240nm以内。

实施例2

将采用y2o3纳米粉体和mgo纳米粉体的物质的量的比为1：6的均匀混合的y2o3-mgo复相纳米粉体压制的素坯置于马弗炉中在空气氛围下实行两步烧结工艺，控制第一步的烧结温度为1300℃，升温速率为1℃/min，保温时间为30min；然后以1℃/min的降温速率降温至1270℃，开始第二步烧结，并保温100小时，自然降温后获得致密的陶瓷胚体；再采用热等静压烧结炉对上述的陶瓷坯体进行热等静压烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为5小时，ar气气氛加压压力为50mpa，升温和降温速率均为5℃/min，获得致密的陶瓷样品；将该样品在1250℃下退火处理5小时，升温和降温速率均为2℃/min；然后进行双面高精度镜面抛光加工，获得厚度为2.0mm的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷。

如图3所示，所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率最高达到80％(样品厚度2.0mm)。

图4为实施例2所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图；从图中可以看出，平均晶粒尺寸在260nm以内。

实施例3

将采用y2o3纳米粉体和mgo纳米粉体的物质的量的比为1：2的均匀混合的y2o3-mgo复相纳米粉体压制的素坯置于马弗炉中在空气氛围下实行两步烧结工艺，控制第一步的烧结温度为1600℃，升温速率为60℃/min，保温时间为5min；然后以300℃/min的降温速率降温至1200℃，开始第二步烧结，并保温50小时，自然降温后获得致密的陶瓷胚体；再采用热等静压烧结炉对上述的陶瓷坯体进行热等静压烧结，烧结温度为1500℃，保温时间为0.5小时，ar气气氛加压压力为250mpa，升温和降温速率均为15℃/min，获得致密的陶瓷样品；将该样品在1150℃下退火处理10小时，升温和降温速率均为5℃/min；然后进行双面高精度镜面抛光加工，获得厚度为2.0mm的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷。

图5为实施例3所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线，中红外透过率最高达到82％(样品厚度2.0mm)。

图6为实施例3所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图；从图中可以看出，平均晶粒尺寸在260nm以内。

实施例4

将采用y2o3纳米粉体和mgo纳米粉体的物质的量的比为1：3的均匀混合的y2o3-mgo复相纳米粉体压制的素坯置于马弗炉中在空气氛围下实行两步烧结工艺，控制第一步的烧结温度为1360℃，升温速率为5℃/min，保温时间为10min；然后以10℃/min的降温速率降温至1350℃，开始第二步烧结，并保温0.5小时，自然降温后获得致密的陶瓷胚体；再采用热等静压烧结炉对上述的陶瓷坯体进行热等静压烧结，烧结温度为1300℃，保温时间为2小时，ar气气氛加压压力为200mpa，升温和降温速率均为10℃/min，获得致密的陶瓷样品；将该样品在600℃下退火处理30小时，升温和降温速率均为3℃/min；然后进行双面高精度镜面抛光加工，获得厚度为2.0mm的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷。

图7为实施例4所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线，中红外透过率最高达到81％(样品厚度2.0mm)。

图8为实施例4所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图；从图中可以看出，平均晶粒尺寸在260nm以内。

实施例5

将采用y2o3纳米粉体和mgo纳米粉体的物质的量的比为1：5的均匀混合的y2o3-mgo复相纳米粉体压制的素坯置于马弗炉中在空气氛围下实行两步烧结工艺，控制第一步的烧结温度为1450℃，升温速率为20℃/min，保温时间为0min；然后以100℃/min的降温速率降温至1340℃，开始第二步烧结，并保温4小时，自然降温后获得致密的陶瓷胚体；再采用热等静压烧结炉对上述的陶瓷坯体进行热等静压烧结，烧结温度为1350℃，保温时间为1小时，ar气气氛加压压力为200mpa，升温和降温速率均为10℃/min，获得致密的陶瓷样品；将该样品在800℃下退火处理10小时，升温和降温速率均为3℃/min；然后进行双面高精度镜面抛光加工，获得厚度为2.0mm的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷。

图9为实施例5所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线，中红外透过率最高达到81％(样品厚度2.0mm)。

图10为实施例5所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图；从图中可以看出，平均晶粒尺寸在260nm以内。

实施例6

将采用y2o3纳米粉体和mgo纳米粉体的物质的量的比为1：4的均匀混合的y2o3-mgo复相纳米粉体压制的素坯置于马弗炉中在空气氛围下实行两步烧结工艺，控制第一步的烧结温度为1500℃，升温速率为40℃/min，保温时间为30min；然后以200℃/min的降温速率降温至1330℃，开始第二步烧结，并保温5小时，自然降温后获得致密的陶瓷胚体；再采用热等静压烧结炉对上述的陶瓷坯体进行热等静压烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为2小时，ar气气氛加压压力为200mpa，升温和降温速率均为10℃/min，获得致密的陶瓷样品；将该样品在1000℃下退火处理10小时，升温和降温速率均为3℃/min；然后进行双面高精度镜面抛光加工，获得厚度为2.0mm的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷。

图11为实施例6所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的中红外透过率曲线，中红外3-6μm的平均透过率(厚度2.0mm)大于76％。

图12为实施例6所制得的y2o3-mgo纳米复相红外透明陶瓷的sem形貌图；从图中可以看出，平均晶粒尺寸在240nm以内。