一种激光烧结制备Tb:Lu制造技术

本发明专利技术公开了一种激光烧结制备Tb:Lu

A method of preparing Tb:Lu2O3 ceramics by laser sintering

The invention discloses a method for preparing Tb:Lu2O3 ceramics by laser sintering, in particular: according to the stoichiometric ratio of each element in the chemical structure formula (Lu1 xTbx) 2O3, the reaction raw material powder is weighed separately, citric acid and ethylene glycol are added into the mixed raw material and stirred evenly to obtain the precursor; and then the precursor powder is heated. Reasonable, grinding and calcining in stages; adding the binder polyvinyl alcohol solution to the calcined powder and using dry pressing method to prepare it into a disc shape to obtain the plain embryo; placing the plain embryo on a Lu2O3 gasket and sintering it on both sides with a laser; finally, grinding and polishing treatment is carried out to obtain Tb:Lu2O3. Ceramics. The method provided by this invention can effectively inhibit Tb.

【技术实现步骤摘要】
一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法
本专利技术属于陶瓷材料制备
，具体涉及一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法。
技术介绍
氧化镥(Lu2O3)在可见光与红外光下均具有高透过率，其发射截面大，声子能量低，密度高，同时具有良好的机械性能与热性能。因此，氧化镥是一种优秀的激光介质材料与闪烁体材料，具有广阔的应用前景。Lu2O3具有立方晶系结构，光学各向同性，折射率不依赖于方向性，可通过纳米晶技术和高温烧结技术将粉体制成透明陶瓷。同时，Lu2O3透明陶瓷可以较为方便地实现不同种类、不同浓度的稀土离子的掺杂，从而拥有广泛的光学应用。在稀土离子中，Tb3+离子的离子半径与Lu3+离子的离子半径相近，因此，Tb3+离子掺入Lu2O3晶格后产生的晶格畸变较小，可实现较高浓度的掺杂。在紫外光的激发下，Tb3+离子可发生5D4能级向7F5能级的跃迁，从而可为白光的合成提供绿光，因此，Tb:Lu2O3透明陶瓷在白光LED领域有广泛的应用。此外，Tb:Lu2O3透明陶瓷的热导率高，有利于热量的散发，在等离子体平板显示器领域也具有广泛的应用前景。真空烧结作为一种有效促进致密化的烧结方式被广泛应用于Tb:Lu2O3透明陶瓷的制备。在真空烧结过程中，陶瓷内部会产生大量的氧空位，需要通过长时间的高温空气退火(1450℃×10h)来弥补氧空位。但是在空气退火的过程中，不可避免地会有大量的Tb3+离子与O2反应生成Tb4+离子，而Tb4+离子不发光，Tb3+离子含量的减少将直接导致Tb:Lu2O3陶瓷发光性能的下降。此外，在传统的真空烧结技术中，为了有效调控陶瓷的致密化过程，MgO、TEOS等烧结助剂必不可少。但是烧结助剂的引入将会导致电价不平衡。在烧结过程中，电荷补偿作用会导致Tb3+离子向Tb4+离子转变，从而影响陶瓷的发光质量。因此，采用真空烧结很难对烧结过程中Tb3+向Tb4+的转变进行有效的控制。而且传统的真空烧结需要较高的烧结温度(1600～1800℃)和较长的保温时间(8～20h)，这也导致烧结后的陶瓷晶粒尺寸普遍较大(10～30μm)，机械性能不佳，难以满足当前市场对其力学性能的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法，可以有效抑制Tb3+离子向Tb4+离子转变，且烧结温度低，时间短。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法，包括以下步骤：(1)按照化学结构式(Lu1-xTbx)2O3中各元素的化学计量比分别称取含有镥离子Lu3+的化合物和含有铽离子Tb3+的化合物粉体作为反应原料，其中x为Tb3+掺杂Lu3+位的摩尔百分数，0.001≤x≤0.02；(2)在混合好的原料粉体中加入柠檬酸和乙二醇溶液，并搅拌均匀，得到前驱体溶液，其中，金属离子和柠檬酸的摩尔比为0.2～0.5，柠檬酸和乙二醇质量比为1～2；(3)将前驱体溶液在70～80℃条件下进行热处理，去除多余的水分，冷却至室温，研磨，得到前驱体粉末；然后将研磨后的前驱体粉末置于500～800℃条件下预煅烧5～7h，去除多余的有机物，再将预煅烧后的前驱体粉末置于800～1200℃条件下煅烧1～3h；(4)在煅烧后的粉体中加入粘合剂聚乙烯醇溶液进行塑化，采用干压法将其压制成圆片状，得到素胚片，其中聚乙烯醇溶液加入量为压片粉体质量的1.0～7.0％；(5)将素胚片放置在一个Lu2O3垫片上，用激光器对素胚片两面同时进行烧结，得到陶瓷素胚；(6)将烧结后的陶瓷素胚进行研磨抛光至1～3mm，得到Tb:Lu2O3透明陶瓷。优选的，步骤(1)中，所述含有镥离子Lu3+的化合物为氧化镥或硝酸镥，所述含有铽离子Tb3+的化合物为硝酸铽、氯化铽、氧化铽中一种。优选的，步骤(4)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为0.05～0.2g/ml。优选的，步骤(4)中，所述聚乙烯醇的聚合度为1600～1900。优选的，步骤(4)中，压制压力为800～1200Mpa，素胚片的直径为2.0～6.0mm，厚度为0.5～3.0mm。优选的，步骤(5)中，激光输出功率密度为3.2～3.4W/mm2，光束直径4.9～5.5mm。优选的，步骤(5)中，激光扫描速度为2～12mm/s。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.在激光烧结过程中，陶瓷内部不会有氧空位的产生，因此烧结后的样品无需进行空气退火，因此可以有效抑制Tb3+离子向Tb4+离子转变；而且采用激光烧结技术，由于不需要引入任何烧结助剂，因此可避免陶瓷内部电价不平衡现象，从而抑制了电荷补偿作用带来的Tb4+离子的产生，提高了陶瓷内部Tb3+离子的含量，在323nm紫外光的激发下，可实现高强度的绿光发射。2.本专利技术提供的方法制备Tb:Lu2O3透明陶瓷所需烧结时间短，激光烧结过程仅需3～15min，节能环保，易于批量生产；且激光烧结制备的陶瓷晶粒尺寸小(1～5μm)，机械性能较好，符合当前市场对透明陶瓷力学性能的需求。3.本专利技术提供的方法制备的Tb:Lu2O3透明陶瓷样品的相对密度达99.9％，有很好的致密性，透过率高，可以实现激光输出。附图说明图1为本专利技术实施例2制备的Tb:Lu2O3透明陶瓷的XRD图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。除另有说明，以下实施例中所用的原料均为市售产品，原料粉体的纯度均大于等于99.9％。实施例1：(Lu0.999Tb0.001)2O3透明陶瓷按照(Lu0.999Tb0.001)2O3中各元素的化学计量比分别称取Lu2O3和Tb4O7粉体作为反应原料；用蒸馏水将柠檬酸稀释到浓度为0.05g/ml，在混合好的原料中加入柠檬酸和乙二醇溶液(金属离子和柠檬酸的摩尔比为0.2，柠檬酸和乙二醇质量比为1)，并搅拌均匀，得到前驱体溶液；将前驱体溶液加热至70℃保温24h，以去除多余的水分，冷却至室温，再将其置于研钵中进行研磨，得到前驱体粉末；然后将研磨后的前驱体粉末在500℃下预煅烧5h，以去除多余的有机物，再将预煅烧后的前驱体粉末置于马弗炉中在800℃煅烧1h。在煅烧后的粉体中加入0.05g/ml的粘合剂聚乙烯醇(聚合度为1600～1900)溶液进行塑化，并且采用干压法将其压制成直径为2.0mm、厚度为0.5mm的圆片，压力为80Mpa，得到素胚片。将干压好的素胚片放置在一个Lu2O3垫片上，用激光器以直径为4.9mm的激光束对其进行烧结，激光的功率以0.01W/mm2的线性功率上升到3.2W/mm2，并且在最大功率处保持70s，扫描速度为2mm/s，全激光烧结的时间为5min。这一过程中，素胚片两面被同时烧结。最后，将陶瓷素胚进行研磨抛光至1mm，得到Tb:Lu2O3透明陶瓷。本实施例制备的陶瓷样品为Lu2O3相，无其他杂相，陶瓷纯度较高。陶瓷晶粒尺寸3.2μm，光学透过率在400nm处为81.0％，光学质量良好，在进行323nm光激发下可以实现550nm的绿光输出。实施例2：(Lu0.995Tb0.005)2O3透明陶瓷按照(Lu0.995Tb0.005)2O3中各元素的化学计量比分别称取Lu(NO3)3·6H2O和Tb(NO3)3·5H2O粉体作为反应原料；用蒸馏水将柠檬酸稀释到浓度为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)按照化学结构式(Lu1‑xTbx)2O3中各元素的化学计量比分别称取含有镥离子Lu3+的化合物和含有铽离子Tb3+的化合物粉体作为反应原料，其中x为Tb3+掺杂Lu3+位的摩尔百分数，0.001≤x≤0.02；(2)在混合好的原料粉体中加入柠檬酸和乙二醇溶液，并搅拌均匀，得到前驱体溶液，其中，金属离子和柠檬酸的摩尔比为0.2～0.5，柠檬酸和乙二醇质量比为1～2；(3)将前驱体溶液在70～80℃条件下进行热处理，去除多余的水分，冷却至室温，研磨，得到前驱体粉末；然后将研磨后的前驱体粉末置于500～800℃条件下预煅烧5～7h，去除多余的有机物，再将预煅烧后的前驱体粉末置于800～1200℃条件下煅烧1～3h；(4)在煅烧后的粉体中加入粘合剂聚乙烯醇溶液进行塑化，采用干压法将其压制成圆片状，得到素胚片，其中聚乙烯醇溶液加入量为压片粉体质量的1.0～7.0％；(5)将素胚片放置在一个Lu2O3垫片上，用激光器对素胚片两面同时进行烧结，得到陶瓷素胚；(6)将烧结后的陶瓷素胚进行研磨抛光至1～3mm，得到Tb:Lu2O3透明陶瓷。...

【技术特征摘要】
1.一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)按照化学结构式(Lu1-xTbx)2O3中各元素的化学计量比分别称取含有镥离子Lu3+的化合物和含有铽离子Tb3+的化合物粉体作为反应原料，其中x为Tb3+掺杂Lu3+位的摩尔百分数，0.001≤x≤0.02；(2)在混合好的原料粉体中加入柠檬酸和乙二醇溶液，并搅拌均匀，得到前驱体溶液，其中，金属离子和柠檬酸的摩尔比为0.2～0.5，柠檬酸和乙二醇质量比为1～2；(3)将前驱体溶液在70～80℃条件下进行热处理，去除多余的水分，冷却至室温，研磨，得到前驱体粉末；然后将研磨后的前驱体粉末置于500～800℃条件下预煅烧5～7h，去除多余的有机物，再将预煅烧后的前驱体粉末置于800～1200℃条件下煅烧1～3h；(4)在煅烧后的粉体中加入粘合剂聚乙烯醇溶液进行塑化，采用干压法将其压制成圆片状，得到素胚片，其中聚乙烯醇溶液加入量为压片粉体质量的1.0～7.0％；(5)将素胚片放置在一个Lu2O3垫片上，用激光器对素胚片两面同时进行烧结，得到陶瓷素胚；(6)将烧结后的陶瓷素胚进行研磨抛光至1～3mm，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐，侯晨，蒋志刚，陈浩，
申请(专利权)人：徐州市江苏师范大学激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32