一种高透明Gd2O3透明陶瓷材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高透明Gd2O3透明陶瓷材料的制备方法，包括粉体的合成改性，成型工艺，烧结工序和退火工序，其中：所述粉体的合成改性步骤中向Gd2O3粉末原料中添加10～12at％的亚微米ZrO2粉末，优选为添加11at％的亚微米ZrO2粉末。所述亚微米ZrO2粉末的粒径大小为100nm～1μm。本发明专利技术加入的ZrO2对Gd2O3中的晶粒生长有抑制作用，大大减小晶粒尺寸，实现了Gd2O3透明陶瓷的高透过率。本发明专利技术提供的制备方法具有工艺简单、可控性好、添加物少、烧结条件相对较简单、可有效避免其他化学元素污染、易于操作和生产等优点，适合Gd2O3透明陶瓷的工业化生产。工业化生产。工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种高透明Gd2O3透明陶瓷材料的制备方法


[0001]本专利技术属于透明陶瓷的制备
，具体涉及一种高透明Gd2O3透明陶瓷材料的制备方法。

技术介绍

[0002]透明陶瓷(TransparentCeramic)是指通过陶瓷工艺制备而成的具备一定透光性的多晶陶瓷材料，又称为光学陶瓷。自从20世纪50年代末期，美国通用电气公司科学家Coble成功制备出第一块半透明Al2O3陶瓷开始，传统陶瓷无法实现透明的观念就被打破，从此开辟出了一个陶瓷制备和应用的全新领域，透明陶瓷应运而生。
[0003]透明陶瓷因具有传统陶瓷的耐腐蚀、耐高温、电绝缘好等典型特点，同时还兼具玻璃的光学特性，近年来在照明技术、光学、特种仪器制造、无线电子技术和高温技术等领域获得了广泛的应用。透明陶瓷还可替代单晶、玻璃等透明材料应用于防护窗口、激光电光、新型光源和医学仪器等军民领域。
[0004]透明陶瓷按照材料体系可以分为氧化物透明陶瓷(如Al2O3、MgO、Y2O3、Y3Al5O
12
)、氟化物透明陶瓷(如CaF2、MgF2)、氮化物透明陶瓷(如AlN)、硫化物透明陶瓷(如ZnS)等。而按照材料性能可以将透明陶瓷分为透明激光陶瓷(如Dy：CaF2、Nd：YAG)、透明闪烁陶瓷(如Gd2O2S：Ce)、透明铁电陶瓷(如PLZT、PZT)及红外透明陶瓷(如MgF2、ZnS)。
[0005]对于各种不同材料透明陶瓷的制备而言，虽然其大体工艺与普通陶瓷的制备相似，都是采用“粉体制备
→
压制成型
→
陶瓷烧结”的工艺流程，但是由于透明陶瓷的性能随着反应温度和烧结过程的进行，其相变情况较为复杂，不同原料之间的制备工艺并不能轻易借鉴。这是因为各种原料粉体的晶型和晶粒的取向会有所不同，其会影响透明陶瓷的透光率，而制备工艺也同样会影响陶瓷的透光率，不同的制备工艺比如虽然仅仅在烧结温度上有差别，也会影响中间相和纯相的制备。
[0006]透明陶瓷一般需要采用高纯、超细的粉体原料，掺入尽可能少的添加剂以减少杂质第二相，同时对成型、烧结等工艺需进行严格控制，保证气孔和杂质充分排出，进而使陶瓷密度接近理论密度，才能制备出高透光率的透明陶瓷。
[0007]氧化钆(Gd2O3)具有高密度(7.62g/cm3)、高有效原子序数(Zeff＝64)，是一种极具吸引力且迅速崛起的闪烁体主体。此外，掺杂了稀土离子的Gd2O3在高能光子与低能光子之间具有高效的光转换效率，并且与图像传感器(CMOS、CCD等)具有良好的光学匹配。具备将X射线和γ射线转换为低能可见光能力的高效光致发光闪烁体在医学诊断、医学成像和无损检测中越来越重要。为了获得更高的光输出，具有低声子能量、高结构稳定性和组成均匀性的闪烁体主体尤为重要。因此透明Gd2O3陶瓷在闪烁体基体和光学元件领域极具应用前景。
[0008]通常，Gd2O3存在三种结构多晶型，即立方相、单斜相和六方。然而，只有具有高度对称性的立方结构才有利于制备透明陶瓷。对于大多数多晶陶瓷，通过高温真空烧结(通常在1600℃以上)可以获得优异的光学性能，不幸的是，这对Gd2O3透明陶瓷来说非常困难，这是由于Gd2O3从立方相到单斜相的多晶转变发生在1200℃左右，伴随着大体积减少(约10％)，
并导致陶瓷体的微裂纹。由于裂纹和晶粒孪晶，单斜Gd2O3陶瓷表现出伪塑性行为和低机械性能。因此，制备高度透明的Gd2O3陶瓷是极为困难的，它必须在低于相变温度的温度下以及尽可能高的压力下进行。
[0009]上世纪70年代，Edward Carnall等人(Carnall,E.,&Pearlman,D.(1972).Transparent Gd2O
3 ceramics and phosphors.Materials Research Bulletin,7(7),647
‑
653.)尝试在850℃和40000psi的条件下制备Gd2O3透明陶瓷，然而最终样品的透过率最高为60％，仍无法实现高透明。由于无法取得进展，此后很长一段时间未有Gd2O3透明陶瓷的相关报道。
[0010]随着陶瓷制备技术的发展，自从2000年开始，许多氧化物(如HfO2、Y2O3和Lu2O3)被添加到Gd2O3中以形成固溶体陶瓷，来谋求Gd2O3陶瓷的高透光率，但是取得的效果并不佳。
[0011]Ji等人(Y.M.Ji,D.Y.Jiang,J.Y.Chen,Y.K.Liao,T.Feng,J.L.Shi,Fabrication of Transparent HfO2(40％)
‑
Gd2O3:Eu Ceramics from Nanosized Powders,Electrochem.Solid
‑
State Lett.,8(2005)H58.)将HfO2掺杂到Gd2O3中成功制备Gd
1.48
Eu
0.02
Hf
0.5
O
3.25
陶瓷，但仅仅为半透明状态。
[0012]Gyuseong Cho等人(G.Cho,Y.K.Kim,S.H.Cho,D.K.Kim,B.J.Kim,H.J.Seo,H.K.Kim,Synthesis and Characterization of Doped Ceramic Scintillators Based on(Gd,Y)2O3,IEEE Nucl.Sci.Symp.Conf.Rec.,2005,pp.1314
‑
1317.)成功制备了具有高Gd含量(高达80mol％Gd2O3)的Y2O3掺杂(Y,Gd)2O3陶瓷闪烁体样品，虽然其具有高光输出，但透明度较差。
[0013]Qin等人(L.S.Qin,Y.T.Wu,H.S.Shi,W.X.Chai,K.Y.Shu,G.H.Ren,X.F.Chen,Effects of Doping Lu2O
3 Into Gd2O
3 on Phase Transformation and Luminescence,IEEE Trans.Nucl.Sci.,56(2009)2979
‑
2982.)制备(Lu,Gd)2O3透明陶瓷，但发现Lu2O3不能有效抑制高温下的相变，透过率也很低。
[0014]因此，虽然目前已开展添加各种氧化物以用于摸索Gd2O3高透明陶瓷的制备，但目前所取得的效果较差，大量失败的案例表明这种方式所获得的Gd2O3陶瓷的透过率仍然较差。因此，如何寻求一种能够提高Gd2O3陶瓷透过率的方法，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0015]本专利技术就是为了解决上述技术问题，从而提供高透明Gd2O3透明陶瓷材料的制备方法。本专利技术的技术目的在于，解决Gd2O3在高温烧结过程中从立方到单斜的相变、体积收缩会导致陶瓷体中存在微裂纹，而无法烧结得到高透明致密Gd2O3陶瓷的问题。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高透明Gd2O3透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括粉体的合成改性，成型工艺，烧结工序和退火工序，其中：所述粉体的合成改性步骤中向Gd2O3粉末原料中按原子百分含量计添加10～12at％的亚微米ZrO2粉末。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述ZrO2粉末的添加量为11at％。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述亚微米ZrO2粉末的粒径大小为100nm～1μm。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述粉体的合成改性步骤具体为：将Gd2O3粉末与亚微米ZrO2粉末混合，将混合粉末与乙醇混合，然后以200
‑
250r/min的速度球磨18
‑
24小时，所得浆料干燥后过滤，筛分，将所得粉体在1000
‑
1300℃下煅烧1
‑
3h，形成单相结构前驱粉体。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：卢铁城，袁海峰，齐建起，梁乐行，张聪，邓世溦，卢开雷，李子芥，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：