利用注浆成型制备钇铝石榴石基透明陶瓷的方法技术

本发明专利技术公开了一种注浆成型制备钇铝石榴石（ＹＡＧ）基透明陶瓷的方法。具体工艺步骤包括：将氧化物陶瓷粉体、烧结助剂、非水溶剂和分散剂球磨混合，加入粘结剂、增塑剂和消泡剂，球磨混合制备非水基浆料，其中浆料由下列质量百分比组成：氧化物陶瓷粉体４０～７０％，烧结助剂０．０１～１％，分散剂０．００５～２．５％，粘结剂０．０１～５％，增塑剂０．０１～３％，消泡剂０．００５～０．５％，其余量为非水溶剂；将浆料注浆成型制备陶瓷块体，采用两步干燥法制备陶瓷素坯，然后真空烧结制备透明陶瓷。本发明专利技术采用注浆成型，特别适合用于制备形状复杂、大尺寸和复合结构的陶瓷样品，大大拓宽了透明陶瓷的制备途径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及透明陶瓷制备
，特别涉及一种利用注浆成型制备钇铝石榴石 (YAG)基透明陶瓷的新方法。
技术介绍
钕掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)单晶是目前性能最好，产量最大，用途最广的激光基 质材料，但是单晶生长技术的固有特性使其性能和应用范围受到限制。材料科学家在20世 纪60年代起就尝试用透明陶瓷作为固体激光器的工作物质，但效果均不理想。直到专利 JP05-286761, JP05-286762，JP05-294722，JP05-294723，JP05-294724，JP05-235462 等发 布后，以Nd:YAG透明陶瓷为代表的陶瓷激光工作物质由于其在制备技术和材料性能等方 面具有单晶、玻璃激光材料无可比拟的优势而受到了人们的极大关注，并且得到了迅速的 发展。制备Nd:YAG透明陶瓷的方法主要有两种一种采用固相反应-真空烧结技术； 另外一种方法是先用湿化学法合成高烧结活性的Nd:YAG纳米粉体，然后采用真空烧结 技术制备Nd:YAG透明陶瓷。1995年，A. Ikesue首次报道了用湿化学法合成高烧结活 性的Y203、Al2O3和Nd2O3粉体，然后采用固相反应和真空烧结技术制备Nd:YAG透明陶瓷 ，并首次实现了 Nd:YAG透明陶瓷的连续激光输出。 湿化学法制备Nd:YAG激光陶瓷在1999年取得重大突破，日本神岛(Konoshima)化学公 司采用一种改进的尿素沉淀法制备出颗粒尺寸均勻、分散性好的Nd:YAG纳米粉体，通过真空烧结技术制备出高质量 的Nd:YAG透明陶瓷，并实现了大功率的激光输出。Nd: YAG透明陶瓷不仅具有可与激光单晶相媲美的透光性能和激光性能，而且具有 与激光玻璃相似的可大尺寸制备和实现高浓度掺杂，尤其还具有结构陶瓷特有的优良的高 温力学性能与容易实现复合结构的特征，因此激光陶瓷被认为是21世纪最有发展前景的 激光材料之一。2006年，美国劳伦斯 利弗莫尔国家实验室利用日本神岛化学公司生产的 Nd:YAG透明陶瓷，实现了 67kW的固体热容激光输出，引起了各国国防部的高度关注，使得 激光陶瓷材料替代激光单晶成为美国军方固体激光武器的重要选项。高端激光武器用及特 殊环境下使用的材料往往需要具有大尺寸、复杂形状和复合结构等特点，采用常规的干压 成型很难实现。因此，探索探索适合制备钇铝石榴石基透明陶瓷的新型成型方法具有十分 重要的意义。注浆成型特别适合用于制备形状复杂、大尺寸和复合结构的样品。将注浆成型与 纳米粉体制备技术、固相反应烧结技术和真空烧结技术结合起来制备钇铝石榴石基透明陶 瓷，是一条很有前景的途径。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用注浆成型工艺制备钇铝石榴石基透明陶瓷的方 法，其特征在于该方法的具体工艺步骤包括(1)原料选择本专利技术使用的原料可以是(a) α -Al2O3 和 Y2O3 按 YAG 组成配制或由 α _A1203、Y2O3 和 RE2O3 按 RE YAG 组成 配制，其中 RE2O3 为 Nd2O3、Yb2O3、Cr2O3, Er2O3、Sc2O3、Lei2O3、Tm2O3、Ho2O3、Sm2O3、Lu2O3、Ce2O3 和 I^r2O3中的任意一种或几种组合；或(b)用湿化学方法包括沉淀法、溶胶凝胶法、燃烧合成法 制备的 YAG 或 RE YAG 粉体(其中 RE 为 Nd、Yb、Cr、Er、Sc、La、Tm、Ho、Sm、Lu、Ce 和 Pr 元素 中的任意一种或者几种组合)作为氧化物陶瓷粉体。(2)烧结助剂选择烧结助剂可以是LiF, NaF、MgF2, CaF2, AlF3、Li2O, Na2O, K2O, CaO、MgO, B2O3、Ga2O3> SiO2^GeO2和TEOS (正硅酸乙酯)中的任意一种或是几种组合，烧结助剂的添加量为IO2 106ppmo(3)浆料制备先将氧化物陶瓷粉体、非水溶剂、烧结助剂和分散剂球磨混合6 他后，加入粘 结齐U、增塑剂和消泡剂，球磨混合2 4h制备非水基浆料。其中浆料由下列质量百分比组 成氧化物陶瓷粉体40 70%，烧结助剂0. 01 1 %，分散剂0. 005 1 %，粘结剂0. 01 5 %，增塑剂0. 01 3 %，消泡剂0. 005 0. 5 %，余量为溶剂。⑷注浆成型将步骤C3)制备的浆料在模具中注浆成型后，采用两步干燥法制备陶瓷素坯并脱 模第一步干燥温度为20 40°C，干燥时间为2 48h ；第二步干燥温度为60 90°C，干 燥温度为2 Mh。(5)陶瓷烧结将步骤(4)制备的陶瓷素坯在马弗炉中进行预烧处理升温速率为1 10°C / min，预烧温度为500 1200°C，保温时间为1 10h，以排除素坯中的有机物。将预烧处理 后的素坯在真空钨丝炉中烧结，包括先以10 20°C/min的速度从室温升温至1000°C，然 后以0. 5 10°C /min升温至1650 1850°C并保温1 200h，保温时的真空度高于10_3Pa。 真空烧结得到的透明陶瓷在空气或者氧气气氛中进行退火处理，退火温度为1300 1600°C，保温时间为2 IOOh。所述的原料和烧结助剂的纯度均高于99. 9%。所述的非水溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、丁酮中和二甲苯中的任意一种或其 中几种组合。因非水溶剂制备的素坯干燥速度快，表面光滑，微观结构均勻，力学性能优良， 可使透明陶瓷的质量得到很好的控制。所述的分散剂为鲱鱼油(MFO)聚丙烯酸(PAA)和甘油酯中的任意一种，这些分散 剂可以吸附在固体颗粒表面，产生的空间位阻效应能有效阻止颗粒间相互聚集。所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和丙烯酸树脂中的任意一种，这两种粘结 剂通过包裹颗粒表面，自身固化形成三维树脂构架，赋予素坯一定的强度。所述的增塑剂为聚乙二醇(PEG)、酞酸二丁脂(DBP)和邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)中的任意一种，增塑剂分子可以插入到粘结剂分子链中，从而降低粘结剂分子的刚性，提高陶 瓷素坯的塑性。所述的消泡剂为聚醚改性有机硅，这种消泡剂极易吸附于液体气泡表面，强烈降 低气泡的局部表面张力和表面粘度，削弱气泡的抗扰动能力，破坏其稳定性，促使气泡排出 液面。步骤a所述的球磨时所用的球磨罐和球磨磨球材料为氧化铝或氧化锆陶瓷。所述的步骤(b)中注浆成型用的模具材料为玻璃、石膏、陶瓷、金属或是塑料中的任意一种。所述的注浆成型为直接一次成型制备单一组分的素坯或多次成型制备具有层状 复合结构、核壳结构的复合结构的素坯。(详见实施例4、5)本专利技术采用注浆成型，特别适合用于制备形状复杂、大尺寸和复合结构的陶瓷样 品，大大拓宽了透明陶瓷的制备途径。附图说明图1是实施例1中YAG透明陶瓷的实物照片图2是实施例1中YAG透明陶瓷的直线透过率曲线图3是实施例1中YAG透明陶瓷的断口形貌照片图4是实施例2中2. Oat% Nd: YAG透明陶瓷的实物照片图5是实施例2中2. Oat% Nd: YAG透明陶瓷的直线透过率曲线具体实施例方式实施例1将25. 4904g平均粒径为300nm的α -Al2O3粉体，33. 8715g平均粒径为3 μ m的^O3 粉体，0. 3562g正硅酸乙酯(TEOS)和0. 0594g鲱鱼油(MFO)放入高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用注浆成型制备掺杂的钇铝石榴石基透明陶瓷的方法，包括浆料制备、注浆成型、烧结和退火处理，其特征在于：（ａ）浆料制备所述的浆料为非水基浆料，其质量百分数为成为：氧化物陶瓷粉体４０－７０％，烧结助剂０．０１－１％，分散剂０．００５－１％，粘结剂０．０１－５％，增塑剂０．０１－３％，消泡剂０．００５－０．５％，余量为非水溶剂；首先，先将氧化物陶瓷粉体、非水溶剂、烧结助剂和分散剂球磨混合６－８小时后，再加入粘结剂、增塑剂和消泡剂，再球磨混合２－４小时；（ｂ）将步骤ａ制备的非水基浆料注浆成型脱模后采用两步干燥制备陶瓷素坯，第一步干燥温度为２０－４０℃，第二步为６０－９０℃；（ｃ）将步骤ｂ干燥后的陶瓷素坯，先在５００－１２００℃温度下预处理，然后在１６５０－１８５０℃，真空烧结，烧结时真空度＞１０↑［－３］Ｐａ；（ｄ）步骤ｃ烧结后的制品，在１３００－１６００℃空气或氧气氛中退火。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李江，周军，潘裕柏，刘文斌，张文馨，王亮，姜本学，石云，寇华敏，郭景坤，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]