一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法
一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于稀土氧化物透明陶瓷制备技术领域，特别涉及到用碳酸氢铵和氨水作 为混合沉淀剂的共沉淀法，用氧化铝（Al2O3)作为烧结助剂的氧化钇基透明陶瓷的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来，透明陶瓷作为固体激光介质备受关注，与单晶相比，透明陶瓷容易制备， 可值得大尺寸的样品，成本低，可以实现高浓度掺杂，易于制备多层以及复合多功能陶瓷
[0003] 氧化钇（Y2O3)透明陶瓷是一种高性能的陶瓷材料。其耐热性、耐腐蚀性，以及极高 熔点和高的介电常数（12?20)等优良特性。氧化钇属于立方晶系，不存在双折射现象，可 添加NcUYb、Ho、Ce等稀土元素，Y2O3透明陶瓷还可作为固体激光器的工作介质。由于氧化 钇具有较高的热导率，是YAG的2倍左右，约为玻璃的10倍，同时它和YAG的热膨胀率接近， 具有较宽的发射光谱，掺杂Nd的氧化钇在高功率，高强超脉冲激光输出和激光核聚变方面 具有这重要的应用。
[0004] 氧化钇透明陶瓷最早是由美国通用电气公司研制成功，它是由10% 111〇2和90% Y2O3固溶体，他的透过率与玻璃相仿，这种材料是以高纯氧化钇为原料，加上氧化钍作为 添加剂，在2170°C下常压烧结而成。美国专利38736571，日本日立株式会社，G.Toda、 I.Matsuyama和Y.Tsukuda介绍了 一种用0? 1 %?0? 8 %moL的BeO作添加剂的Y2O3基透 明陶瓷材料。按照这一方法，高纯的氧化钇被模压成所要的形状，以BeO作为添加剂，并在 高温下烧结。在较低的成型压力和烧结温度一下，易于制得透明度极好的多晶氧化钇烧结 体。ZL200810105497. 8介绍了用碳酸氢铵作为沉淀剂，制备氧化钇粉体，然后添加LiF，采 用热压、退火和热等静压处理，最终值得透明氧化钇陶瓷，目前国内外制备氧化钇透明陶瓷 的大部分采用商用粉体，需要较高的烧结温度，或者添加有毒的烧结助剂以降低烧结温度， 或者采用复杂的处理工序，这样给制备氧化钇透明陶瓷带来不少的困难。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了改进现有技术的不足而一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法。
[0006] 本发明的技术方案为：一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法，其特征是所制备的透 明陶瓷满足下式所示的Y2O3组分：(YxRE1J2C^O. 96 <X< 0. 999,RE为稀土元素铈（Ce)、 镨（Pr)、钕（Nd)、钐（Sm)、铕（Eu)、铽（Tb)、镝（Dy)、钬（Ho)、铒（Er)、铥（Tm)或镱（Yb)中 的一种，具体步骤如下：
[0007] (1)原料选取：Y、RE原料选用市售（优选为高纯99. 999 %及以上）Y2O3和RE2O3粉 体；选用市售分析纯氨水和碳酸氢铵作为沉淀剂使用；选用市售分析纯HNO3和选用市售分 析纯（NH4)2SO4作为分散剂；选用市售（优选高纯99. 99%及以上Ml2O3作为透明陶瓷的烧 结助剂；
[0008] ⑵溶液制备：先将Y2O3和HNO3溶解制得Y(NO3) 3,再将Y(NO3) 3和Re(NO3) 3溶解于 去离子水中，添加（NH4)2SO4作为分散剂，Al(NO3)3作为烧结助剂，配成混合溶液作为母液； 碳酸氢铵和氨水混合用去离子水配成溶液，作为沉淀剂；
[0009] (3)前驱体制备：采用正向滴定方法，将碳酸氢铵和氨水混合沉淀剂溶液以2? 6ml/min的速度，滴加到母液中，同时进行搅拌，待滴定反应成熟，母液的pH值为7. 5? 8. 5,继续搅拌0. 5?2小时，静止陈化；然后分别用去离子水和无水乙醇冲洗过滤得到的沉 淀物，所得的前驱体沉淀物干燥，干燥后的前驱体研磨过筛；
[0010] (4)粉体煅烧：过筛后的前驱体进行煅烧处理，煅烧温度为900?1300°C，保温时 间为2?5小时；
[0011] (5)素坯成型：煅烧后的粉体进行过筛，取过筛后的粉体成型后再经200?300MPa 冷等静压进一步致密化，得到素坯；
[0012] (6)真空烧结：对素坯进行真空烧结，真空度要高于KT3?10?6Pa，烧结温度为 1700°C?1850°C，进行8?24小时保温；
[0013] (7)后期处理：先对真空烧结后的陶瓷进行退火处理，再经过抛光之后，得到透明 氧化钇陶瓷。
[0014] 优选步骤（2)中将Y(NO3) 3和Re(NO3) 3溶解于去离子水中，配成金属离子溶液总浓 度为0. 05?0. 25mol/L，其中Re含量为金属离子总量的0. 1?4mol% ; (NH4)2SO4的加入 量为金属离子摩尔总量的1?IOmol% !Al(NO3)3的加入量为金属离子摩尔总量的0. 1? I. 5mol%;碳酸氢铵和氨水总含量为金属离子摩尔总量的2?4倍，碳酸氢铵和氨水之间的 摩尔比为1:4?1:2 ;沉淀剂溶液的浓度为0. 2?0. 6mol/L。
[0015] 优选步骤（3)中，静止陈化时间为12?48小时；前驱体沉淀物分别去离子水和无 水乙醇清洗2?4次；沉淀物的干燥温度为50?120°C，干燥时间为24?48小时。
[0016] 优选步骤（7)退火温度为1350°C?1450°C，在空气或者氧气气氛下退火10?24 小时。
[0017] 有益效果：
[0018] 1.本发明制备的氧化钇（Y2O3)透明陶瓷可用于高功率、超高脉冲激光输出和激光 核聚变等方面。
[0019] 2.由于本发明采用的是正向滴定方式，碳酸氢铵和氨水的混合溶液作为沉淀剂， 利用了Al2O3作为烧结助剂，制备掺杂稀土离子的高烧结活性的氧化钇纳米粉体。采用硫酸 铵作为分散剂，减少了前驱体以及前驱体在煅烧过程中的团聚现象，同时采用的无毒的烧 结助剂Al2O3，在合成养护与前驱体的时候就已经引入，制备的粉体比表面积大，具有较高的 烧结活性，在采用真空烧结方式，在较低的温度下制备出透明氧化钇陶瓷，得到的氧化钇透 明陶瓷的致密度高，透光率高
[0020] 3.工艺流程简单，而且纳米粉体的原料成本低廉，易于获得，无污染，有利于工业 化生产。
【附图说明】
[0021] 图1 :实施列1、2、3中前驱体在煅烧后得到粉体XRD图谱；
[0022] 图2 :实施列1、2、3中所制得的Y2O3陶瓷抛光后的实物照片；
[0023] 图3 :实施例1的Y2O3透明陶瓷抛光后的透过率图。
【具体实施方式】
[0024] 实施例1?3的组分配方见表1。
[0025] 表1实施例1?3的组分配方
[0026]
【主权项】
1. 一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法，其特征是所制备的透明陶瓷满足下式所示的 Y2O3组分：(YxREh)2C^O. 96 彡 X 彡 0· 999, RE 为稀土元素铈（Ce)、镨（Pr)、钕（Nd)、钐（Sm)、 铕（Eu)、铽（Tb)、镝（Dy)、钬（Ho)、铒（Er)、铥（Tm)或镱（Yb)中的一种，具体步骤如下： (1)原料选取：Y、RE原料选用Y2O3和RE2O3粉体；选用分析纯氨水和碳酸氢铵作为沉淀 剂使用；选用分析纯HNO3和选用分析纯（NH4)2SO4作为分散剂；选用Al 203作为透明陶瓷的 烧结助剂； ⑵溶液制备：先将Y2O3和HNO 3溶解制得Y (NO 3) 3,再将Y (NO3) 3和Re (NO 3) 3溶解于去离 子水中，添加（NH4)2SO4作为分散剂，Al (NO3)3作为烧结助剂，配成混合溶液作为母液；碳酸 氢铵和氨水混合用去离子水配成溶液，作为沉淀剂； (3) 前驱体制备：采用正向滴定方法，将碳酸氢铵和氨水混合沉淀剂溶液以2?6ml/ min的速度，滴加到母液中，同时进行搅拌，待滴定反应成熟，母液的pH值为7. 5?8. 5,继 续搅拌〇. 5?2小时，静止陈化；然后分别用去离子水和无水乙醇冲洗过滤得到的沉淀物， 所得的前驱体沉淀物干燥，干燥后的前驱体研磨过筛； (4) 粉体煅烧：过筛后的前驱体进行煅烧处理，煅烧温度为900?1300°C，保温时间为 2?5小时； (5) 素坯成型：煅烧后的粉体进行过筛，取过筛后的粉体成型后再经200?300MPa冷 等静压进一步致密化，得到素坯； (6) 真空烧结：对素坯进行真空烧结，真空度要高于KT3?10 ~6Pa，烧结温度为 1700°C?1850°C，进行8?24小时保温； (7) 后期处理：先对真空烧结后的陶瓷进行退火处理，再经过抛光之后，得到透明氧化 ?乙陶瓷。
2. 按权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤⑵中将Y (NO 3) 3和Re (NO 3) 3溶解于 去离子水中，配成金属离子溶液总浓度为0. 05?0. 25mol/L，其中Re含量为金属离子总量 的0. 1?4mol % ; (NH4) 2S04的加入量为金属离子摩尔总量的1?IOmol % ;A1 (NO 3) 3的加入 量为金属离子摩尔总量的〇. 1?I. 5mol % ;碳酸氢按和氨水总含量为金属离子摩尔总量的 2?4倍，碳酸氢按和氨水之间的摩尔比为1:4?1:2 ;沉淀剂溶液的浓度为0. 2?0. 6mol/ L0
3. 按权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3)中，静止陈化时间为12?48 小时；前驱体沉淀物分别去离子水和无水乙醇清洗2?4次；沉淀物的干燥温度为50? 120°C，干燥时间为24?48小时。
4. 按权利要求1所述的制备氧化钇透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（7)退火温 度为1350°C?1450°C，在空气或者氧气气氛下退火10?24小时。
【专利摘要】本发明涉及一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法，按(YxRE1-x)2O3，(0.96≤x≤0.999)称取原料，先将Y2O3和HNO3溶解制得Y(NO3)3，再将Y(NO3)3和Re(NO3)3溶解于去离子水中，添加分散剂和烧结助剂，配成混合溶液作为母液；碳酸氢铵和氨水混合用去离子水配成溶液，作为沉淀剂；将沉淀剂溶液滴加到母液中，搅拌，静止陈化；然后冲洗过滤得到的沉淀物干燥，研磨过筛；进行煅烧处理；煅烧后的粉体过筛后成型得到素坯；对素坯进行真空烧结，再对真空烧结后的陶瓷进行退火处理，再经过抛光之后，得到透明氧化钇陶瓷。制备得到的氧化钇透明陶瓷的致密度高，透光率高；工艺流程简单，而且纳米粉体的原料成本低廉，易于获得，无污染，有利于工业化生产。
【IPC分类】C04B35-622, C04B35-505
【公开号】CN104557041
【申请号】CN201410798552
【发明人】张乐, 王忠英
【申请人】徐州市江苏师范大学激光科技有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月18日
【技术领域】
[0001] 本发明属于稀土氧化物透明陶瓷制备技术领域，特别涉及到用碳酸氢铵和氨水作 为混合沉淀剂的共沉淀法，用氧化铝（Al2O3)作为烧结助剂的氧化钇基透明陶瓷的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来，透明陶瓷作为固体激光介质备受关注，与单晶相比，透明陶瓷容易制备， 可值得大尺寸的样品，成本低，可以实现高浓度掺杂，易于制备多层以及复合多功能陶瓷
[0003] 氧化钇（Y2O3)透明陶瓷是一种高性能的陶瓷材料。其耐热性、耐腐蚀性，以及极高 熔点和高的介电常数（12?20)等优良特性。氧化钇属于立方晶系，不存在双折射现象，可 添加NcUYb、Ho、Ce等稀土元素，Y2O3透明陶瓷还可作为固体激光器的工作介质。由于氧化 钇具有较高的热导率，是YAG的2倍左右，约为玻璃的10倍，同时它和YAG的热膨胀率接近， 具有较宽的发射光谱，掺杂Nd的氧化钇在高功率，高强超脉冲激光输出和激光核聚变方面 具有这重要的应用。
[0004] 氧化钇透明陶瓷最早是由美国通用电气公司研制成功，它是由10% 111〇2和90% Y2O3固溶体，他的透过率与玻璃相仿，这种材料是以高纯氧化钇为原料，加上氧化钍作为 添加剂，在2170°C下常压烧结而成。美国专利38736571，日本日立株式会社，G.Toda、 I.Matsuyama和Y.Tsukuda介绍了 一种用0? 1 %?0? 8 %moL的BeO作添加剂的Y2O3基透 明陶瓷材料。按照这一方法，高纯的氧化钇被模压成所要的形状，以BeO作为添加剂，并在 高温下烧结。在较低的成型压力和烧结温度一下，易于制得透明度极好的多晶氧化钇烧结 体。ZL200810105497. 8介绍了用碳酸氢铵作为沉淀剂，制备氧化钇粉体，然后添加LiF，采 用热压、退火和热等静压处理，最终值得透明氧化钇陶瓷，目前国内外制备氧化钇透明陶瓷 的大部分采用商用粉体，需要较高的烧结温度，或者添加有毒的烧结助剂以降低烧结温度， 或者采用复杂的处理工序，这样给制备氧化钇透明陶瓷带来不少的困难。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了改进现有技术的不足而一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法。
[0006] 本发明的技术方案为：一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法，其特征是所制备的透 明陶瓷满足下式所示的Y2O3组分：(YxRE1J2C^O. 96 <X< 0. 999,RE为稀土元素铈（Ce)、 镨（Pr)、钕（Nd)、钐（Sm)、铕（Eu)、铽（Tb)、镝（Dy)、钬（Ho)、铒（Er)、铥（Tm)或镱（Yb)中 的一种，具体步骤如下：
[0007] (1)原料选取：Y、RE原料选用市售（优选为高纯99. 999 %及以上）Y2O3和RE2O3粉 体；选用市售分析纯氨水和碳酸氢铵作为沉淀剂使用；选用市售分析纯HNO3和选用市售分 析纯（NH4)2SO4作为分散剂；选用市售（优选高纯99. 99%及以上Ml2O3作为透明陶瓷的烧 结助剂；
[0008] ⑵溶液制备：先将Y2O3和HNO3溶解制得Y(NO3) 3,再将Y(NO3) 3和Re(NO3) 3溶解于 去离子水中，添加（NH4)2SO4作为分散剂，Al(NO3)3作为烧结助剂，配成混合溶液作为母液； 碳酸氢铵和氨水混合用去离子水配成溶液，作为沉淀剂；
[0009] (3)前驱体制备：采用正向滴定方法，将碳酸氢铵和氨水混合沉淀剂溶液以2? 6ml/min的速度，滴加到母液中，同时进行搅拌，待滴定反应成熟，母液的pH值为7. 5? 8. 5,继续搅拌0. 5?2小时，静止陈化；然后分别用去离子水和无水乙醇冲洗过滤得到的沉 淀物，所得的前驱体沉淀物干燥，干燥后的前驱体研磨过筛；
[0010] (4)粉体煅烧：过筛后的前驱体进行煅烧处理，煅烧温度为900?1300°C，保温时 间为2?5小时；
[0011] (5)素坯成型：煅烧后的粉体进行过筛，取过筛后的粉体成型后再经200?300MPa 冷等静压进一步致密化，得到素坯；
[0012] (6)真空烧结：对素坯进行真空烧结，真空度要高于KT3?10?6Pa，烧结温度为 1700°C?1850°C，进行8?24小时保温；
[0013] (7)后期处理：先对真空烧结后的陶瓷进行退火处理，再经过抛光之后，得到透明 氧化钇陶瓷。
[0014] 优选步骤（2)中将Y(NO3) 3和Re(NO3) 3溶解于去离子水中，配成金属离子溶液总浓 度为0. 05?0. 25mol/L，其中Re含量为金属离子总量的0. 1?4mol% ; (NH4)2SO4的加入 量为金属离子摩尔总量的1?IOmol% !Al(NO3)3的加入量为金属离子摩尔总量的0. 1? I. 5mol%;碳酸氢铵和氨水总含量为金属离子摩尔总量的2?4倍，碳酸氢铵和氨水之间的 摩尔比为1:4?1:2 ;沉淀剂溶液的浓度为0. 2?0. 6mol/L。
[0015] 优选步骤（3)中，静止陈化时间为12?48小时；前驱体沉淀物分别去离子水和无 水乙醇清洗2?4次；沉淀物的干燥温度为50?120°C，干燥时间为24?48小时。
[0016] 优选步骤（7)退火温度为1350°C?1450°C，在空气或者氧气气氛下退火10?24 小时。
[0017] 有益效果：
[0018] 1.本发明制备的氧化钇（Y2O3)透明陶瓷可用于高功率、超高脉冲激光输出和激光 核聚变等方面。
[0019] 2.由于本发明采用的是正向滴定方式，碳酸氢铵和氨水的混合溶液作为沉淀剂， 利用了Al2O3作为烧结助剂，制备掺杂稀土离子的高烧结活性的氧化钇纳米粉体。采用硫酸 铵作为分散剂，减少了前驱体以及前驱体在煅烧过程中的团聚现象，同时采用的无毒的烧 结助剂Al2O3，在合成养护与前驱体的时候就已经引入，制备的粉体比表面积大，具有较高的 烧结活性，在采用真空烧结方式，在较低的温度下制备出透明氧化钇陶瓷，得到的氧化钇透 明陶瓷的致密度高，透光率高
[0020] 3.工艺流程简单，而且纳米粉体的原料成本低廉，易于获得，无污染，有利于工业 化生产。
【附图说明】
[0021] 图1 :实施列1、2、3中前驱体在煅烧后得到粉体XRD图谱；
[0022] 图2 :实施列1、2、3中所制得的Y2O3陶瓷抛光后的实物照片；
[0023] 图3 :实施例1的Y2O3透明陶瓷抛光后的透过率图。
【具体实施方式】
[0024] 实施例1?3的组分配方见表1。
[0025] 表1实施例1?3的组分配方
[0026]
【主权项】
1. 一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法，其特征是所制备的透明陶瓷满足下式所示的 Y2O3组分：(YxREh)2C^O. 96 彡 X 彡 0· 999, RE 为稀土元素铈（Ce)、镨（Pr)、钕（Nd)、钐（Sm)、 铕（Eu)、铽（Tb)、镝（Dy)、钬（Ho)、铒（Er)、铥（Tm)或镱（Yb)中的一种，具体步骤如下： (1)原料选取：Y、RE原料选用Y2O3和RE2O3粉体；选用分析纯氨水和碳酸氢铵作为沉淀 剂使用；选用分析纯HNO3和选用分析纯（NH4)2SO4作为分散剂；选用Al 203作为透明陶瓷的 烧结助剂； ⑵溶液制备：先将Y2O3和HNO 3溶解制得Y (NO 3) 3,再将Y (NO3) 3和Re (NO 3) 3溶解于去离 子水中，添加（NH4)2SO4作为分散剂，Al (NO3)3作为烧结助剂，配成混合溶液作为母液；碳酸 氢铵和氨水混合用去离子水配成溶液，作为沉淀剂； (3) 前驱体制备：采用正向滴定方法，将碳酸氢铵和氨水混合沉淀剂溶液以2?6ml/ min的速度，滴加到母液中，同时进行搅拌，待滴定反应成熟，母液的pH值为7. 5?8. 5,继 续搅拌〇. 5?2小时，静止陈化；然后分别用去离子水和无水乙醇冲洗过滤得到的沉淀物， 所得的前驱体沉淀物干燥，干燥后的前驱体研磨过筛； (4) 粉体煅烧：过筛后的前驱体进行煅烧处理，煅烧温度为900?1300°C，保温时间为 2?5小时； (5) 素坯成型：煅烧后的粉体进行过筛，取过筛后的粉体成型后再经200?300MPa冷 等静压进一步致密化，得到素坯； (6) 真空烧结：对素坯进行真空烧结，真空度要高于KT3?10 ~6Pa，烧结温度为 1700°C?1850°C，进行8?24小时保温； (7) 后期处理：先对真空烧结后的陶瓷进行退火处理，再经过抛光之后，得到透明氧化 ?乙陶瓷。
2. 按权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤⑵中将Y (NO 3) 3和Re (NO 3) 3溶解于 去离子水中，配成金属离子溶液总浓度为0. 05?0. 25mol/L，其中Re含量为金属离子总量 的0. 1?4mol % ; (NH4) 2S04的加入量为金属离子摩尔总量的1?IOmol % ;A1 (NO 3) 3的加入 量为金属离子摩尔总量的〇. 1?I. 5mol % ;碳酸氢按和氨水总含量为金属离子摩尔总量的 2?4倍，碳酸氢按和氨水之间的摩尔比为1:4?1:2 ;沉淀剂溶液的浓度为0. 2?0. 6mol/ L0
3. 按权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3)中，静止陈化时间为12?48 小时；前驱体沉淀物分别去离子水和无水乙醇清洗2?4次；沉淀物的干燥温度为50? 120°C，干燥时间为24?48小时。
4. 按权利要求1所述的制备氧化钇透明陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（7)退火温 度为1350°C?1450°C，在空气或者氧气气氛下退火10?24小时。
【专利摘要】本发明涉及一种氧化钇基透明陶瓷的制备方法，按(YxRE1-x)2O3，(0.96≤x≤0.999)称取原料，先将Y2O3和HNO3溶解制得Y(NO3)3，再将Y(NO3)3和Re(NO3)3溶解于去离子水中，添加分散剂和烧结助剂，配成混合溶液作为母液；碳酸氢铵和氨水混合用去离子水配成溶液，作为沉淀剂；将沉淀剂溶液滴加到母液中，搅拌，静止陈化；然后冲洗过滤得到的沉淀物干燥，研磨过筛；进行煅烧处理；煅烧后的粉体过筛后成型得到素坯；对素坯进行真空烧结，再对真空烧结后的陶瓷进行退火处理，再经过抛光之后，得到透明氧化钇陶瓷。制备得到的氧化钇透明陶瓷的致密度高，透光率高；工艺流程简单，而且纳米粉体的原料成本低廉，易于获得，无污染，有利于工业化生产。
【IPC分类】C04B35-622, C04B35-505
【公开号】CN104557041
【申请号】CN201410798552
【发明人】张乐, 王忠英
【申请人】徐州市江苏师范大学激光科技有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月18日
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