一种复合陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合陶瓷的制备方法，使用二氧化硅作为基质，加入镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体，得到混合材料；将混合材料进行研磨、干燥、过筛，并置于石墨模具中，并进行预压；将装有混合材料的石墨模具在热压炉中氮气气氛烧结，冷却脱模后进行抛光，复合陶瓷。与现有技术相比，本发明专利技术制备的复合陶瓷材料解决了镧铈离子分布不均匀的问题，克服了具有低对称性的焦硅酸钆材料不易制备透明陶瓷的问题，本发明专利技术的热压法制备复合陶瓷材料不仅具有时间短，烧结温度低的优势，而且制备方法简单，成本低，效率高，适合工业化生产，具有实用性，可满足闪烁领域的应用要求。

A Method of Preparing Composite Ceramics

【技术实现步骤摘要】
一种复合陶瓷的制备方法
本专利技术涉及功能陶瓷材料领域，特别是指一种复合陶瓷的制备方法。
技术介绍
掺铈正硅酸盐闪烁材料具有高密度、高原子序数、物化性能稳定、高光产额和快衰减等优点，已被广泛地应用于医疗器械、油井探测、安检和核科学等多个高科技领域。常见的掺铈正硅酸盐类材料有Gd2SiO5:Ce(GSO:Ce)、Lu2SiO5:Ce(LSO:Ce)和Lu2Y2-2xSiO5:Ce(LYSO:Ce)等。但是由于含Lu体系LSO:Ce和LYSO:Ce材料有176Lu本征背景信号的干扰，无法在低信号计数率的环境中应用。而GSO:Ce材料拥有低的背景信号，因此被应用在一些适合低信号环境的探测器中（如康普顿相机）。近年来，Ce3+掺杂的焦硅酸钆Gd2Si2O7:Ce(GPS:Ce)材料由于其具有低余辉、高光输出和短衰减时间等优点而备受人们的关注，日本北海道大学的Kawamuar等人最先开始研究GPS:Ce闪烁晶体，并于2006年首次报道了GPS:Ce单晶的生长和闪烁性能。结果表明在α射线激发下，GPS:Ce晶体的光输出是GSO:Ce的5倍，衰减时间为39ns；另外GPS:Ce材料还具有大的中子捕获截面积；在热中子激发下，其光输出高出商用GSO:Ce材料的2倍之多，有望替代商用GSO:Ce材料在中子探测领域的应用。同时该材料还具有很好的高温荧光性能，GPS:Ce晶体在470K时仍可保持其室温光输出的80%，且当环境温度为300-365K时光输出有10-20%的提升，展示了在高温苛刻环境中应用的明显优势（如油井探测）。但是，其缺点也非常明显，从相图中观察发现，GPS是属于非一致熔融的化合物，这给制备大尺寸、高质量的单晶带来了巨大的挑战。然而，研究者们发现，要想得到稳定的GPS物相或者成功生长GPS单晶，重掺Ce3+离子是一种非常有效的方案，可见，Ce3+离子起到了稳定晶格的作用，但随之带来的负面影响是重掺发光离子容易形成重吸收和浓度淬灭效应，会导致晶体的光输出严重降低。通过比较发现，稀土La3+离子半径最接近Ce3+离子半径，两者几乎相同（La3+半径是1.03Å，Ce3+半径是1.02Å）。因此，用非发光离子La3+部分来取代Ce3+离子，可以有效的降低Ce3+离子的掺杂浓度，进而减少GPS单晶中Ce3+离子的重吸收，达到提高其光输出的目的。最近日本的AkiraYoshikawa课题组和Gerasymov等人分别用浮区法和顶端籽晶法成功制备了La，Ce共掺的GPS单晶——(Gd1-xLax)2Si2O7:Ce(La-GPS:Ce)，并详细研究了该晶体的闪烁性能。与其他商用的闪烁体相比，镧铈共掺的GPS晶体，具有高的光输出、短的衰减时间和好的能量分辨率的优点，此外该晶体的热稳定性测试结果同样显示，镧铈共掺焦硅酸钆单晶的性能要明显优于目前商用的正硅酸盐材料。因此，镧铈共掺的GPS材料有望成为新一代优良的闪烁体，对其深入的研究有着重要的理论意义和经济实用价值。综上所述，La-GPS:Ce材料虽然具有优异的闪烁性能，但是考虑到实际晶体生长中面临的问题，可以发现，对于多成分共掺的材料往往会由于分凝系数的不同而出现掺杂离子分布不均匀的现象，对于La-GPS:Ce材料也同样存在，La3+和Ce3+与Gd3+的原子序数相差较大，因而分凝系数必然也有较大的差异，这会容易导致最后得到的晶体中不同部位的La3+、Ce3+和Gd3+成分分布不均匀，从而引起能量分辨率、光输出等闪烁性能的不均匀性，最终会严重影响到实际探测器的性能，因此，制备高性能的单晶仍面临巨大的困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合陶瓷的制备方法，具有制备方法简单、成本低、易于产业化的特点，同时解决了La-GPS:Ce材料本身属于三斜结构不利于制备透明陶瓷的缺点。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种复合陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤1、原材料混合：使用二氧化硅作为基质，加入镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体，得到混合材料；步骤2、混合材料预处理：将上述混合材料进行研磨、干燥、过筛，并置于石墨模具中，并进行预压；步骤3、制成复合陶瓷：将装有混合材料的石墨模具在热压炉中氮气气氛烧结，冷却脱模后进行抛光，复合陶瓷。所述步骤1中，镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体和二氧化硅的质量比为1：10至1：30。所述步骤1中，镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体中，La3+相对于Gd离子的摩尔掺杂比例为10mol%，Ce3+相对于Gd离子的摩尔掺杂比例为1mol%。所述步骤1中，所述纳米粉体的平均晶粒尺寸为50～500nm。所述步骤2中，混合材料用酒精作为介质进行行星式球磨12～48h，取出干燥完后进行研磨，干燥温度为180～200℃，干燥时间为4～6h，并在200目筛网中过筛，最后置于石墨模具中，在台式粉末干压机上预压，压力为1～2MPa。所述步骤2中，在石墨模具的套筒内壁和上下压头各垫一层碳纸，以避免石墨模具和混合材料直接接触。所述步骤3中，进行氮气气氛烧结时，压力为30MPa，烧结温度为1200～1300℃，保温时间为30～60min。所述步骤3中,进行氮气气氛烧结时，前600℃升温速率为10～20℃/min，温度大于600℃后升温速率为40～60℃/min，升温到1200～1300℃后，保温30-60min，随后按30～50℃/min降温到600℃，烧结结束。与现有技术相比，本专利技术制备的复合陶瓷材料解决了镧铈离子分布不均匀的问题，克服了具有低对称性的焦硅酸钆材料不易制备透明陶瓷的问题，本专利技术的热压法制备复合陶瓷材料不仅具有时间短，烧结温度低的优势，而且制备方法简单，成本低，效率高，适合工业化生产，具有实用性，可满足闪烁领域的应用要求。附图说明图1为本专利技术实施例1制得的复合陶瓷的XRD图；图2为本专利技术实施例2制得的复合陶瓷的荧光光谱；图3为本专利技术实施例2制得的复合陶瓷的X射线激发发射光谱；图4为本专利技术实施例3制得的复合陶瓷的实物照片图。具体实施方式为了进一步解释本专利技术的技术方案，下面通过具体实施例来对本专利技术进行详细阐述。本专利技术的设计思想在于通过在二氧化硅基质中加入镧铈共掺的焦硅酸钆闪烁体，以获得具有半透明的复合陶瓷，最终合成产物是一种潜在的可用于闪烁领域的陶瓷材料。对晶体而言，陶瓷或者粉体不存在分凝系数的问题，其更容易制备得到成分分散均匀的样品，本专利技术选用纳米尺寸的La-GPS:Ce荧光材料，首先将La-GPS:Ce纳米材料复合到SiO2基质中，通过热压烧结制备得到La-GPS:Ce/SiO2复合透明陶瓷，具有制备方法简单，成本低，易于产业化等特点，同时解决了La-GPS:Ce材料本身属于三斜结构不利于制备透明陶瓷的缺点。本专利技术为一种复合陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤1、原材料混合：使用二氧化硅作为基质，加入镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体，得到混合材料。上述镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体和二氧化硅的质量比为1：10至1：30；上述镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体中，La3+相对于Gd离子的摩尔掺杂比例为10mol%，Ce3+相对于Gd离子的摩尔掺杂比例为1mol%；纳米粉体的平均晶粒尺寸为50～500nm。步骤2、混合材料预处理：将上述混合材料进行研磨、干燥、过筛，并置于石墨模具中，并进行预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤1、原材料混合：使用二氧化硅作为基质，加入镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体，得到混合材料；步骤2、混合材料预处理：将上述混合材料进行研磨、干燥、过筛，并置于石墨模具中，并进行预压；步骤3、制成复合陶瓷：将装有混合材料的石墨模具在热压炉中氮气气氛烧结，冷却脱模后进行抛光，复合陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种复合陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤1、原材料混合：使用二氧化硅作为基质，加入镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体，得到混合材料；步骤2、混合材料预处理：将上述混合材料进行研磨、干燥、过筛，并置于石墨模具中，并进行预压；步骤3、制成复合陶瓷：将装有混合材料的石墨模具在热压炉中氮气气氛烧结，冷却脱模后进行抛光，复合陶瓷。2.如权利要求1所述的一种复合陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体和二氧化硅的质量比为1：10至1：30。3.如权利要求1或2所述的一种复合陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，镧铈共掺的焦硅酸钆纳米粉体中，La3+相对于Gd离子的摩尔掺杂比例为10mol%，Ce3+相对于Gd离子的摩尔掺杂比例为1mol%。4.如权利要求1所述的一种复合陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，所述纳米粉体的平均晶粒尺寸为50～500nm。5.如权利要求1所述的一种复合陶瓷的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏钦华，
申请(专利权)人：福建省长汀金龙稀土有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35