抗X射线辐照的掺铈镁铝尖晶石晶体及其制备方法技术

一种抗Ｘ射线辐照的掺铈镁铝尖晶石晶体及其制备方法，该晶体的制备以ＡｌＮＨ＃－［４］（ＳＯ＃－［４］）＃－［２］.１２Ｈ＃－［２］Ｏ和ＭｇＳＯ＃－［４］.７Ｈ＃－［２］Ｏ为基质原料，掺入１５０～３００ｐｐｍ浓度的掺杂原料Ｃｅ（ＳＯ＃－［４］）＃－［２］.４Ｈ＃－［２］Ｏ，经低温、中温、高温和保温处理四个焙烧过程制成掺铈镁铝尖晶石粉料，焙烧过程中升温速率均为７℃／ｍｉｎ；用焰熔法将制备好的粉料烧结成晶体，晶体生长的工艺参数为：拉晶速度为０．４ｍｍ／ｍｉｎ，下粉率参数为０．２－０．５ｇ／ｍｉｎ，熔晶和晶体生长时的氢氧体积比分别是３∶１和１∶１，长出的晶体在还原气氛下退火，温度为１３００℃，保温时间为１３小时。本发明专利技术制备的掺铈镁铝尖晶石单晶不但透过率高于未掺杂的镁铝尖晶石晶体，而且抗Ｘ射线辐照的能力强，可作为发光基片及窗口材料，广泛应用于微电子学、核技术、激光技术、红外技术、光学等领域。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
专利说明抗X射线辐照的掺铈镁铝尖晶石晶体及其制备方法 本专利技术涉及一种抗X射线辐照的掺铈镁铝尖晶石晶体及其制备方法，特别是抗X射线辐照的掺铈镁铝尖晶石单晶体(Ce∶MgAl2O4)，它可作为发光基片及窗口材料，广泛应用于微电子学、核技术、激光技术、红外技术、光学等领域。纯净的镁铝尖晶石晶体(MgAl2O4)为无色、透明晶体，其晶体常呈八面体形，当晶体中含有不同种类的过渡金属杂质时可能呈现多种颜色绿色(Fe3+)，褐黑色(含Fe2+和Fe3+)、品红色(TI3+)、绿色或深红色(Cr3+)，绿色(V3+)、黄绿色(Mn2+)、草绿色(Ni2+)、兰色(Co2+)。镁铝尖晶石的莫氏硬度为8.0，属于宝石级硬度，而且由于其阳离子分别处于四面体和八面体配位场中，因此掺入过渡金属杂质后具有丰富的色彩，是一种很好的宝石级妆饰品。镁铝尖晶石在自然界中广泛存在，但天然的镁铝尖晶石单晶体的品质不高，数量有限，因此其应用前景受到限制。自从1945年Farben首次报道用焰熔法成功生长出镁铝尖晶石单晶体以来，人们在镁铝尖晶石数量上的要求得到了满足。由于镁铝尖晶石的物理化学性能稳定，具有良好的光学透过率和优良的电绝缘性，并且耐磨损、耐腐蚀、耐高温，人工的镁铝尖晶石在装饰、国防、化工和科研等领域被用作红外系统窗口材料，或作为激光器、集成电路的衬底、光学透镜和棱镜、光纤和光纤传感器，以及光学计算机部件等。含镁铝尖晶石的混合物作为高级耐火材料被广泛应用于水泥、化工等领域，尤其是在特种环境下的耐火砖、水泥回转窑炉等方面的应用取得良好的效果。申请号为89105082.5的中国专利提供一种高铝镁铝尖晶石砖及其生产方法；申请号为00120746.6的中国专利又提供一种含镁铝尖晶石的组合物及其制备方法，这种组合物含有25-30重％的氧化镁，60-70重％的氧化铝和5-15重％的除铈以外的稀土金属氧化物，该组合物可用作硫转移催化剂的基质，含该组合物的硫转移催化剂具有更好的还原再生性能。镁铝尖晶石还具有优良的抗辐照性能和在高温环境下的稳定性。近年来被考虑用作反应堆壁材料和核聚变系统的窗口材料，以及固体激光器的发光基片。但镁铝尖晶石晶体辐照后其光学性能变差，亦即辐照后会变色，光透过率下降，尤其是在400-500nm波段透过率下降特别快。作为窗口材料或发光基片必须具有良好的光透过率，镁铝尖晶石存在辐照损伤现象影响了它的应用前景。本专利技术的目的是提供一种抗X射线辐照的掺铈镁铝尖晶石晶体及其制备方法，以解决镁铝尖晶石晶体X射线辐照损伤问题，使其具有更大的应用价值。实现本专利技术目的的技术方案可分为两个步骤1.用焙烧法制备掺铈浓度为150～300ppm的镁铝尖晶石粉料本专利技术以AlNH4(SO4)2·12H2O和MgSO4·7H2O为制备镁铝尖晶石粉料的基质原料，Ce(SO4)2·4H2O为掺杂原料，将所述的基质原料和150～300ppm浓度的掺杂原料在反应前用去离子水充分地混合均匀，通过低温、中温、高温和保温处理四个焙烧过程获得高质量的掺铈镁铝尖晶石粉料，所述的焙烧过程中升温速率均为7℃/min。2.用焰熔法将掺铈镁铝尖晶石粉料烧结成高质量的单晶体本专利技术晶体生长的工艺参数为拉晶速度为0.4mm/min，下粉率参数为0.2-0.5g/min，熔晶时采用氢氧体积比为3∶1，而晶体生长时氢氧体积的比例为1∶1，长出的晶体在还原气氛下退火，退火温度为1300℃，保温时间为13小时。按本专利技术提出的技术方案制备的掺铈镁铝尖晶石晶体不但辐照前可以提高透过率，而且还能提高晶体的抗X射线辐照能力。附图说明图1是焰熔法晶体生长装置简图。图2是掺铈镁铝尖晶石晶体X射线辐照前后的透射谱。1.制备掺铈浓度为150～300ppm的镁铝尖晶石粉料以AlNH4(SO4)2·12H2O和MgSO4·7H2O为制备镁铝尖晶石粉料的基质原料，考虑到原料必须是可溶于水的盐类，选择Ce(SO4)2·4H2O作为掺杂原料，将该基质原料和150～300ppm浓度的掺杂原料在两者反应前用去离子水充分地混合均匀，保证制备的掺铈镁铝尖晶石粉料具有较好的均匀性。再将混合后的基质原料和掺杂原料进行焙烧，经过低温、中温、高温和保温处理四个焙烧过程制备出所需的掺铈镁铝尖晶石粉料。在焙烧过程中从低温到高温的升温速率均为7℃/min。以下分别描述各个焙烧过程的温度范围和主要化学反应。(1)低温阶段(室温～300℃)低温阶段是指室温到300℃这个范围。此阶段反应方程式为(2)中温阶段(300～600℃)中温阶段是指300～600℃这一温度范围。当温度升高到500℃左右时，粉料开始分解，并放出NH3、SO3和H2O等气体。在这阶段MgSO4很稳定。此阶段的化学反应为在这一阶段，由于有大量氨气及三氧化硫气体放出，粉料发泡，体积剧烈膨涨，这也是制成粉料活性高、分散性好的原因之一。(3)高温阶段(600～1100℃)高温阶段是指600～1100℃的温度范围。随着温度升高，MgSO4和Al2(SO4)3相继大量分解，放SO3气体。这阶段的反应方程式为在这一过程中，γ-Al2O3首先生成，然后生成的MgO，由于γ-Al2O3的结构具有缺陷尖晶石结构(Fd3m，227)，所以生成的MgO可以和γ-Al2O3充分接触，并在界面上形成新的过渡结构——尖晶石晶核。此阶段的反应方程式为(4)保温处理保温处理实际上是高温过程的延续，即在1100℃恒温3小时。以上所述的低温、中温、高温三个阶段中的化学反应并不能严格分开，部分反应可能交叉进行。保温处理的目的是使硫酸盐充分彻底地分解、并进一步完成Al2O3和MgO的反应，实现向镁铝尖晶石的完全转化。因此，保温处理是镁铝尖晶石微粉制备的一个必不可少的工艺过程。2.掺铈镁铝尖晶石晶体的制备方法本专利技术用焰熔法制备性能良好的掺铈镁铝尖晶石单晶体。图1给出焰熔法晶体生长的装置(烧结机)简图。整个晶体生长过程可概述如下首先，将高温焙烧的分散性好、纯度高、颗粒尺寸适合的尖晶石粉料通过副料斗(1)装入料斗(2)；点燃氢气(3)后，逐渐增加氧气(4)流量，使火焰温度达到熔种温度；在托柱(5)上装好籽晶并将其放入燃烧室的火焰(6)正中，调整籽晶高度，使籽晶慢慢熔化，待熔种完成后，开启敲击锤马达，使敲击锤(7)以一定频率敲击料斗顶部，粉料将随着敲击锤的震动通过筛网(8)均匀落下，与氧气混和，并通过内心管(9)由燃烧器的喷嘴喷出，氧气流与已点燃的氢气充分混合燃烧，形成氢氧焰。氢氧焰一方面加热结晶炉，在炉膛内形成有利于晶体生长的温度场，另一方面，当粉料通过氢氧焰的高温区时使粉料熔化、形成雾状液滴。雾状液洒落在已熔种的籽晶顶部，并在结晶炉的梯度温场中逐渐凝固结晶，形成单晶体(10)。这时的单晶体一般很小，需通过增加氧气流量，提高火焰温度，调节晶体高度，慢慢扩肩至要求尺寸、并继续以此尺寸等尺寸生长。待晶体生长到一定长度后，关火停机并用炉煲(11)对晶体进行一段时间的保温，以防晶体炸裂，完成单晶生长。将生长出来的掺铈镁铝尖晶石晶体在还原气氛下退火后，即可进行抛光处理。掺铈镁铝尖晶石晶体质量的优劣与晶体生长过程中的工艺参数密切相关。特别是拉晶的速率，火焰的温度(即氢气和氧气的比例)及下粉率之间的关系是成功生长单晶的关键。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗Ｘ射线辐照的掺铈镁铝尖晶石晶体及其制备方法，该晶体的制备是以ＡｌＮＨ↓［４］（ＳＯ↓［４］）↓［２］.１２Ｈ↓［２］Ｏ和ＭｇＳＯ↓［４］.７Ｈ↓［２］Ｏ为基质原料，Ｃｅ（ＳＯ↓［４］）↓［２］.４Ｈ↓［２］Ｏ为掺杂原料，其特征在于将所述的基质原料和１５０～３００ｐｐｍ浓度的掺杂原料在反应前充分地混合均匀，通过低温、中温、高温和保温处理四个焙烧过程制备掺铈镁铝尖晶石粉料，在所述的焙烧过程中升温速率均为７℃／ｍｉｎ，用焰熔法将制备好的掺铈镁铝尖晶石粉料烧结成晶体，该晶体生长的工艺参数为：拉晶速度为０．４ｍｍ／ｍｉｎ，下粉率参数为０．２－０．５ｇ／ｍｉｎ，熔晶和晶体生长时的氢氧体积比分别是３∶１和１∶１，长出的晶体在还原气氛下退火，退火温度为１３００℃，保温时间为１３小时。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林理彬，何捷，张晋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]