铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷及其热等静压烧结制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷及其热等静压烧结制备方法，利用干压成型制备LSO:Ce素坯，再将素坯在1550‑1750℃的温度下烧结获得相对密度大于95%的陶瓷烧结体，随后再将LSO:Ce陶瓷烧结体进行热等静压（HIP）后处理获得相对密度高达99.8%的高致密陶瓷，最后经过退火后获得半透明的LSO:Ce闪烁陶瓷。该LSO:Ce闪烁陶瓷的平均晶粒尺寸为1.65μm，在发光波长（420nm）处的总透过率可达到58%，其绝对光产额高达21000photons/MeV，可用作X射线CT或γ射线PET扫描成像仪中的探测器材料。

Cerium doped lutetium oxyorthosilicate scintillation ceramics and hot isostatic pressing sintering method

The invention discloses a cerium doped lutetium oxyorthosilicate scintillation ceramics and hot isostatic pressing sintering method, using the dry preparation of LSO:Ce blank pressure molding, and then sintering the blank in the 1550 temperature of 1750 DEG C to obtain sintered ceramics relative density greater than 95%, then the LSO:Ce ceramic by hot isostatic pressing the structure of (HIP) postprocessing to get high density ceramic relative density of up to 99.8%, finally after annealing to obtain LSO:Ce transparent ceramic scintillator. The average grain size of the LSO:Ce scintillating ceramic is 1.65 m, and the total transmittance at the wavelength of luminescence (420nm) can reach 58%. Its absolute optical yield is as high as 21000photons/MeV. It can be used as the detector material for X ray CT or gamma ray PET scanning imager.

【技术实现步骤摘要】
铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷及其热等静压烧结制备方法
本专利技术涉及一种多晶闪烁陶瓷及其制备方法，特别是涉及一种稀土元素掺杂硅酸镥闪烁陶瓷及其制备方法，属于多晶光学陶瓷及其制备

技术介绍
铈掺杂硅酸镥(Lu2SiO5:Ce，LSO:Ce)是用于高能物理、核医学成像和油井勘探等辐射探测领域中的关键探测器材料。由于Ce3+和Lu3+的离子半径相差22％，使得Ce3+在LSO:Ce的晶锭中呈现梯度分布，从而使得LSO:Ce晶体闪烁性能波动。此外，LSO的熔点高于2050℃，在单晶生长过程中所使用的铱坩埚中和单晶生长炉的维护成本高昂。采用多晶透明陶瓷工艺制备的LSO:Ce闪烁陶瓷不仅克服了以上问题，还使LSO:Ce闪烁陶瓷保留了LSO:Ce单晶材料的高光产额特征，达到单晶光产额的95％以上，其短衰减时间与单晶相当，具有优良闪烁性能。为了获得高致密的多晶光学陶瓷，常常需要在高温下长时间保温以排出气孔实现致密化。而陶瓷材料致在密化的同时总是伴随显著的晶粒长大，这会使得各向异性晶体结构陶瓷材料的光学透过率随晶粒的增大而降低。而采用压力辅助烧结方法可以在较低温度下实现陶瓷材料致密化的同时，抑制陶瓷的晶粒生长，这可以显著地提高各向异性晶体结构陶瓷材料的光学透过率。美国阿尔弗雷德大学(AlfredUniversity)的Chen等在1050℃，100MPa的SPS烧结条件下成功地制备了平均晶粒尺寸为150nm，Φ18.8×2mm大小的Sr5(PO4)3F:Yb3+激光陶瓷，该陶瓷的透过率为74％@1000nm。德国弗朗霍夫陶瓷技术和烧结材料研究所(FraunhoferInstituteforCeramicTechnologiesandSinteredMaterials，IKTS)的Krell等通过热等静压(HIP)烧结得到了晶粒尺寸为0.4-0.6μm，直线透过率为55～65％@610nm，尺寸为100mm×100mm×0.8mm的透明氧化铝陶瓷。由于制备LSO:Ce闪烁单晶成本高，制备难度大，制备过程不易控制，因而制备低成本和高光学性能的LSO:Ce闪烁陶瓷成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷及其热等静压(HIP)烧结制备方法，采用HIP烧结工艺，在保证LSO:Ce多晶陶瓷致密度的基础上降低陶瓷的晶粒尺寸，这非常有利于进一步获得具有良好透光性的LSO:Ce闪烁陶瓷。本专利技术中的LSO:Ce闪烁陶瓷的平均晶粒尺寸为1.65μm，在波长为420nm的发光波长处的总透过率可达到58％以上，其绝对光产额高达21000photons/MeV，能作为X射线CT或γ射线PET扫描成像仪中的探测器材料。本专利技术有利于进一步提高LSO:Ce闪烁陶瓷的光学透过率，能有效促进该类多晶LSO:Ce闪烁陶瓷的实用化进程。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷，其材料的化学式为：(Lu1-xCex)2SiO5:Ce，其中x＝0.001-0.05。作为本专利技术优选的技术方案，铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷的晶粒尺寸范围为0.38-5.36μm。作为本专利技术优选的技术方案，以LSO:Ce闪烁单晶材料的密度作为参考物质的密度，则铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷的材料的相对密度不低于99.8％。一种本专利技术铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷的热等静压烧结制备方法，包括如下步骤：a.LSO:Ce素坯的制备：按照化学式为(Lu1-xCex)2SiO5:Ce的目标铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷材料称取铈掺杂硅酸镥粉体，然后将铈掺杂硅酸镥粉体倒入不锈钢模具中，以10-40MPa的压力干压成型后，再经过100-400MPa的冷等静压成型，得到LSO:Ce素坯；在LSO:Ce素坯的制备过程中，优选以20-30MPa的压力干压成型后，再优选经过200-250MPa的冷等静压成型，得到LSO:Ce素坯；b.陶瓷预烧结工艺：将在所述步骤a中制备的LSO:Ce素坯放入高温烧结炉中进行烧结，控制预烧结温度制度如下：首先进行升温，在1200℃以下控制升温速率为5-10℃/分；当温度到达1200℃后，再以1-5℃/分的升温速率升到1550-1750℃的烧结温度，并在烧结温度条件下保温2-20小时；最后以2-10℃/分的降温速率达到1200℃后，再随炉冷却，从而获得材料相对密度不低于95％的LSO:Ce陶瓷烧结体，此相对密度以LSO:Ce闪烁单晶材料的密度作为参考物质的密度；在陶瓷预烧结工艺中，优选控制烧结温度为1600-1700℃，优选烧结时间为2-4小时；c.热等静压烧结工艺：对经过所述步骤b预烧结制备的LSO:Ce陶瓷烧结体再次进行烧结，控制烧结温度制度如下：首先进行升温，在900℃以下控制升温速率为5-20℃/分，在900℃以上以2-10℃/分的升温速率继续升温达到1550-1700℃的烧结温度，并控制高温烧结炉中烧结气氛的气体压力为100-190MPa，在此烧结温度和烧结气氛压力条件下，对LSO:Ce陶瓷烧结体进行热等静压烧结工艺处理1-20小时，然后随炉冷却，得到LSO:Ce陶瓷强化烧结体；在热等静压烧结工艺中，优选控制烧结温度为1600-1700℃，优选控制烧结气氛压力为150-180MPa，优选烧结时间为2-20小时；d.退火处理工艺：首先进行升温，控制升温速率为5-10℃/分，将温度升高到1100-1450℃的退火温度，在退火温度条件下并在空气或氧气气氛下，将在所述步骤c中制备的LSO:Ce陶瓷强化烧结体进行退火处理2-20小时，最终获得半透明的LSO:Ce闪烁陶瓷。在退火处理工艺中，优选控制退火温度为1300-1350℃，优选进行退火处理4-10小时。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1.本专利技术通过热等静压烧结可以获得单相、高致密的LSO:Ce闪烁陶瓷，其相对密度可达99.8％；2.本专利技术获得的LSO:Ce闪烁陶瓷的光产额可达到LSO:Ce单晶的95.5％，其绝对光产额能高达21000photons/MeV；3.本专利技术制备的细晶LSO:Ce陶瓷的晶粒尺寸范围为0.45-3.50μm，平均晶粒尺寸为1.65μm，LSO:Ce陶瓷在420nm的发光波长处的总透过率可达到58％；4.本专利技术铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷制备工艺简单，易于控制和实施。附图说明图1为本专利技术实施例一制备的LSO:Ce陶瓷的XRD图谱。图2为本专利技术实施例一制备的LSO:Ce陶瓷的SEM图片。图3为厚度为1mm的本专利技术实施例一制备的LSO:Ce陶瓷的总透过率曲线图。图4为本专利技术实施例一制备的LSO:Ce闪烁陶瓷在137Cs照射下的能谱图。具体实施方式本专利技术的优选实施例详述如下：实施例一：在本实施例中，一种铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷的热等静压烧结制备方法，包括如下步骤：a.LSO:Ce素坯的制备：按照化学式为(Lu0.995Ce0.005)2SiO5:Ce的目标铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷材料称取2.5g铈掺杂硅酸镥粉体，然后将铈掺杂硅酸镥粉体倒入Φ20mm的圆筒状不锈钢模具中，以30MPa的压力进行压制，然后将干压后的素坯用塑料袋或橡胶套包封后放入冷等静压机中，再经过200MPa的冷等静压成型，得到相对密度达53％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷，其特征在于：其材料的化学式为：(Lu1‑xCex)2SiO5:Ce，其中x＝0.001‑0.05。

【技术特征摘要】
1.一种铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷，其特征在于：其材料的化学式为：(Lu1-xCex)2SiO5:Ce，其中x＝0.001-0.05。2.根据权利要求1所述铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷，其特征在于：铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷的晶粒尺寸范围为0.38-5.36μm。3.根据权利要求1或2所述铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷，其特征在于：以LSO:Ce闪烁单晶材料的密度作为参考物质的密度，则铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷的材料的相对密度不低于99.8％。4.一种权利要求1所述铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷的热等静压烧结制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.LSO:Ce素坯的制备：按照化学式为(Lu1-xCex)2SiO5:Ce的目标铈掺杂硅酸镥闪烁陶瓷材料量取铈掺杂硅酸镥粉体，然后将铈掺杂硅酸镥粉体倒入不锈钢模具中，以10-40MPa的压力干压成型后，再经过100-400MPa的冷等静压成型，得到LSO:Ce素坯；b.陶瓷预烧结工艺：将在所述步骤a中制备的LSO:Ce素坯放入高温烧结炉中进行烧结，控制预烧结温度制度如下：首先进行升温，在1200℃以下控制升温速率为5-10℃/分；当温度到达1200℃后，再以1-5℃/分的升温速率升到1550-1750℃的烧结温度，并在烧结温度条件下保温2-20小时；最后以2-10℃/分的降温速率达到1200℃后，再随炉冷却，从而获得材料相对密度不低于95％的LSO:Ce陶瓷烧结体，此相对密度以LSO:Ce闪烁单晶材料的密度作为参考物质的密度；c.热等静压烧结工艺：对经过所述步骤b预烧结制备的LSO:Ce陶瓷烧结体...

【专利技术属性】
技术研发人员：施鹰，范灵聪，谢建军，章蕾，江梦晗，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31