CN102515752A - 一种透明陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明陶瓷材料及其制备方法。所述透明陶瓷材料为锆酸镧钇陶瓷，其化学式为LaYZr₂O₇。所述材料的制备方法包括粉体制备、成型、烧结和退火热处理步骤，所述的粉体制备采用甘氨酸-硝酸盐燃烧法；所述的成型采用注浆成型工艺或干压结合冷等静压成型工艺。本发明提供的锆酸镧钇透明陶瓷材料经过双面抛光的1mm厚样品在可见光波段的最大直线透过率可达75％以上，同时烧结致密度高，相对密度大于99.99％，可满足在信息探测、激光介质、高温视窗等领域的应用要求。另外，本发明的制备方法具有工艺简单，可控性好，无需烧结助剂，烧结条件相对较简单，易于操作和生产等优点。

Description

一种透明陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种透明陶瓷材料及其制备方法，具体说，是涉及一种锆酸镧钇透明陶瓷材料及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。

背景技术

透明陶瓷兼有陶瓷材料固有的高强度、高绝缘、耐高温、耐腐蚀等特性和玻璃材料的光学性能，其应用领域非常广泛。

相比单晶，透明陶瓷可以根据器件应用要求较方便地实现高浓度离子的均匀掺杂，避免由于晶体生长工艺限制所造成的掺杂浓度低、分布不均匀的状况。另外，透明陶瓷的制备温度远低于单晶的制备温度，对于一些高熔点的材料尤其具有实际意义。研究表明，某些透明陶瓷的性能已经达到或超过单晶材料，并有望在一些特定场合逐步替代单晶光学材料。相对于玻璃材料，透明陶瓷具有耐高温、热导率高、硬度高、抗冲击能力强等优点，在某些特殊场合有其独特的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高可见光透过率的新型透明陶瓷材料及其制备方法，为本领域增添一种新产品，以满足信息探测、激光介质、高温视窗等领域对透明陶瓷材料的性能要求。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种透明陶瓷材料，为锆酸镧钇陶瓷，其化学式为LaYZr₂O₇。

一种所述的透明陶瓷材料的制备方法，包括：粉体制备、成型、烧结和退火热处理步骤，其特征在于：所述的粉体制备采用甘氨酸-硝酸盐燃烧法；所述的成型采用注浆成型工艺或干压结合冷等静压成型工艺。

进一步，采用甘氨酸-硝酸盐燃烧法制备粉体的步骤如下：按照Zr∶La∶Y的摩尔比为2∶1∶1称取硝酸锆、硝酸镧和硝酸钇，配制成硝酸盐水溶液；加入燃烧剂甘氨酸，搅拌使完全溶解；调节溶液的pH值为3～5；加热使发生燃烧反应，得到前驱体粉体；对前驱体粉体进行热处理；球磨、筛分，即得锆酸镧钇粉体。

所述硝酸盐水溶液中的硝酸根离子的摩尔浓度推荐为0.1～5mol/L，优选为0.1～2mol/L。

所述甘氨酸与硝酸根离子的摩尔比优选为0.3∶1～0.7∶1。

所述热处理条件优选为：在1000～1200℃保温2～4小时。

进一步，所述的注浆成型工艺包括如下步骤：

将制得的锆酸镧钇粉体以15～35vol％的固含量分散于去离子水中，在pH＝8～10或pH＝3～5条件下加入分散剂，进行搅拌、超声分散、球磨、陈化处理，制得浆料；注浆成型；进行干燥后脱模，即得锆酸镧钇陶瓷素坯。

所述分散剂推荐为聚丙烯酸盐或聚甲基丙烯酸盐；优选为聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸铵或聚甲基丙烯酸钠。

所述分散剂的加入量优选为使其在溶液中的含量为0.5～1.5wt％。

所述超声分散的时间优选为15～30分钟。

所述球磨时间优选为6～12小时。

所述陈化处理时间优选为0.5～8小时。

所述干燥优选为在15～35℃下干燥2～8小时后，再在40～70℃下干燥2～8小时。

进一步，所述的干压结合冷等静压成型工艺包括如下步骤：

先在5～20MPa下将制得的锆酸镧钇粉体干压成型为素坯，再将所得素坯在180～230MPa进行冷等静压处理，即得锆酸镧钇陶瓷素坯。

所述干压成型和冷等静压处理均优选在室温下进行。

所述冷等静压处理的时间优选为1～3分钟。

上述的锆酸镧钇粉体的平均粒径优选为50～100nm。

进一步，所述烧结的步骤如下：将制得的锆酸镧钇陶瓷素坯先在1000～1200℃预烧2～4小时，然后在真空条件下于1800～1900℃烧结4～10小时。

所述真空条件优选真空度≤5.0×10^-3Pa。

进一步，所述退火热处理的步骤如下：将烧结后的样品在空气气氛中于1400～1600℃下保温4～10小时。

与现有技术相比，本发明提供的锆酸镧钇透明陶瓷材料经过双面抛光的1mm厚样品在可见光波段的最大直线透过率可达75％以上，同时烧结致密度高，相对密度大于99.99％，可满足在信息探测、激光介质、高温视窗等领域的应用要求。另外，本发明的制备方法具有工艺简单，可控性好，无需烧结助剂，烧结条件相对较简单，易于操作和生产等优点。

附图说明

图1为实施例1制得的锆酸镧钇透明陶瓷材料的X射线衍射图谱；

图2为实施例1制得的锆酸镧钇透明陶瓷材料的透过率曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细、完整地说明。

实施例1

a)粉体制备：将0.4摩尔硝酸锆(Zr(NO₃)₄·3H₂O，99.9％)，0.2摩尔硝酸镧(La(NO₃)₃，99.99％)与0.2摩尔硝酸钇(Y(NO₃)₃，99.995％)溶于1000mL去离子水中，配制成硝酸盐水溶液；加入1.6摩尔甘氨酸，搅拌使完全溶解；用氨水调节溶液的pH值为4；加热使发生燃烧反应，得到前驱体粉体；对前驱体粉体进行热处理：在1000℃保温4h；球磨，筛分，制得平均粒径为50～100nm的锆酸镧钇纳米粉体；

b)成型：采用干压结合冷等静压成型工艺，即：先在室温、5MPa下将制得的锆酸镧钇纳米粉体干压成型为素坯，再将所得素坯在室温、180MPa下进行冷等静压处理3min，即得锆酸镧钇陶瓷素坯；

c)烧结：将制得的锆酸镧钇陶瓷素坯先在1200℃预烧2小时，然后在真空度小于5.0×10^-3Pa的真空条件下于1800℃烧结10小时；

d)退火热处理：将烧结后的样品在空气气氛中于1600℃下保温4小时，即得锆酸镧钇(LaYZr₂O₇)透明陶瓷材料。

图1为本实施例制得的锆酸镧钇透明陶瓷材料的X射线衍射图谱，由图1可见：所制得的锆酸镧钇透明陶瓷材料为缺陷态萤石结构。

图2为本实施例制得的锆酸镧钇透明陶瓷的透过率曲线图，由图2可见：所制得的锆酸镧钇透明陶瓷材料经过双面抛光的1mm厚样品在1100nm处的最大直线透过率达到近77％；相对密度大于99.99％。

实施例2

a)粉体制备：将0.2摩尔硝酸锆(Zr(NO₃)₄·3H₂O，99.9％)，0.1摩尔硝酸镧(La(NO₃)₃，99.99％)与0.1摩尔硝酸钇(Y(NO₃)₃，99.995％)溶于500mL去离子水中，配制成硝酸盐水溶液；加入0.8摩尔甘氨酸，搅拌使完全溶解；用氨水调节溶液的pH值为4；加热使发生燃烧反应，得到前驱体粉体；对前驱体粉体进行热处理：在1200℃保温2h；球磨，筛分，制得平均粒径为50～100nm的锆酸镧钇纳米粉体；

b)成型：采用干压结合冷等静压成型工艺，即：先在室温、20MPa下将制得的锆酸镧钇纳米粉体干压成型为素坯，再将所得素坯在室温、230MPa下进行冷等静压处理1min，即得锆酸镧钇陶瓷素坯；

c)烧结：将制得的锆酸镧钇陶瓷素坯先在1000℃预烧4小时，然后在真空度小于5.0×10^-3Pa的真空条件下于1900℃烧结4小时；

d)退火热处理：将烧结后的样品在空气气氛中于1400℃下保温10小时，即得锆酸镧钇(LaYZr₂O₇)透明陶瓷材料。

本实施例制得的锆酸镧钇透明陶瓷材料经过双面抛光的1mm厚样品在800nm处的最大直线透过率达到75.7％；相对密度大于99.99％。

实施例3

a)粉体制备：将0.4摩尔硝酸锆(Zr(NO₃)₄·3H₂O，99.9％)，0.2摩尔硝酸镧(La(NO₃)₃，99.99％)与0.2摩尔硝酸钇(Y(NO₃)₃，99.995％)溶于800mL去离子水中，配制成硝酸盐水溶液；加入1.6摩尔甘氨酸，搅拌使完全溶解；用氨水调节溶液的pH值为4；加热使发生燃烧反应，得到前驱体粉体；对前驱体粉体进行热处理：在1200℃保温2h；球磨，筛分，制得平均粒径为50～100nm的锆酸镧钇纳米粉体；

b)成型：采用注浆成型工艺，即：将制得的锆酸镧钇粉体以15vol％的固含量分散于去离子水中，在pH＝9时加入分散剂聚丙烯酸铵，分散剂的加入量使其在溶液中的含量为0.5wt％；搅拌，超声分散15分钟，球磨12小时，陈化1小时，制得分散性及流动性较好的浆料；注浆成型；在25℃下干燥5小时后，再在55℃下干燥5小时；脱模，即得锆酸镧钇陶瓷素坯；

c)烧结：将制得的锆酸镧钇陶瓷素坯先在1000℃预烧4小时，然后在真空度小于5.0×10^-3Pa的真空条件下于1900℃烧结4小时；

d)退火热处理：将烧结后的样品在空气气氛中于1400℃下保温10小时，即得锆酸镧钇(LaYZr₂O₇)透明陶瓷材料。

本实施例制得的锆酸镧钇透明陶瓷材料经过双面抛光的1mm厚样品在800nm处的最大直线透过率达到75.5％；相对密度大于99.99％。

实施例4

a)粉体制备：将0.2摩尔硝酸锆(Zr(NO₃)₄·3H₂O，99.9％)，0.1摩尔硝酸镧(La(NO₃)₃，99.99％)与0.1摩尔硝酸钇(Y(NO₃)₃，99.995％)溶于500mL去离子水中，配制成硝酸盐水溶液；加入0.8摩尔甘氨酸，搅拌使完全溶解；用氨水调节溶液的pH值为4；加热使发生燃烧反应，得到前驱体粉体；对前驱体粉体进行热处理：在1000℃保温4h；球磨，筛分，制得平均粒径为50～100nm的锆酸镧钇纳米粉体；

b)成型：采用注浆成型工艺，即：将制得的锆酸镧钇粉体以35vol％的固含量分散于去离子水中，在pH＝4时加入分散剂聚甲基丙烯酸铵，分散剂的加入量使其在溶液中的含量为1.5wt％；搅拌，超声分散30分钟，球磨6小时，陈化8小时，制得分散性及流动性较好的浆料；注浆成型；在20℃下干燥6小时后，再在50℃下干燥6小时；脱模，即得锆酸镧钇陶瓷素坯；

c)烧结：将制得的锆酸镧钇陶瓷素坯先在1200℃预烧2小时，然后在真空度小于5.0×10^-3Pa的真空条件下于1800℃烧结10小时；

d)退火热处理：将烧结后的样品在空气气氛中于1600℃下保温4小时，即得锆酸镧钇(LaYZr₂O₇)透明陶瓷材料。

本实施例制得的锆酸镧钇透明陶瓷材料经过双面抛光的1mm厚样品在800nm处的最大直线透过率达到75.3％；相对密度大于99.99％。

最后有必要在此指出的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种透明陶瓷材料，其特征在于：为锆酸镧钇陶瓷，其化学式为LaYZr₂O₇。

2.一种权利要求1所述的透明陶瓷材料的制备方法，包括：粉体制备、成型、烧结和退火热处理步骤，其特征在于：所述的粉体制备采用甘氨酸-硝酸盐燃烧法；所述的成型采用注浆成型工艺或干压结合冷等静压成型工艺。

3.根据权利要求2所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于，采用甘氨酸-硝酸盐燃烧法制备粉体的步骤如下：按照Zr∶La∶Y的摩尔比为2∶1∶1称取硝酸锆、硝酸镧和硝酸钇，配制成硝酸盐水溶液；加入燃烧剂甘氨酸，搅拌使完全溶解；调节溶液的pH值为3～5；加热使发生燃烧反应，得到前驱体粉体；对前驱体粉体进行热处理；球磨、筛分，即得锆酸镧钇粉体。

4.根据权利要求3所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述硝酸盐水溶液中的硝酸根离子的摩尔浓度为0.1～5mol/L。

5.根据权利要求3所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述甘氨酸与硝酸根离子的摩尔比为0.3∶1～0.7∶1。

6.根据权利要求3所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述热处理条件为：在1000～1200℃保温2～4小时。

7.根据权利要求2所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述的注浆成型工艺包括如下步骤：将制得的锆酸镧钇粉体以15～35vol％的固含量分散于去离子水中，在pH＝8～10或pH＝3～5条件下加入分散剂，进行搅拌、超声分散、球磨、陈化处理，制得浆料；注浆成型；进行干燥后脱模，即得锆酸镧钇陶瓷素坯。

8.根据权利要求7所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂为聚丙烯酸盐或聚甲基丙烯酸盐。

9.根据权利要求8所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂为聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸铵或聚甲基丙烯酸钠。

10.根据权利要求7所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂的加入量要使其在溶液中的含量为0.5～1.5wt％。

11.根据权利要求7所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述超声分散的时间为15～30分钟，所述球磨时间为6～12小时，所述陈化处理时间为0.5～8小时。

12.根据权利要求7所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述干燥是先在15～35℃下干燥2～8小时，然后在40～70℃下干燥2～8小时。

13.根据权利要求2所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述的干压结合冷等静压成型工艺包括如下步骤：先在5～20MPa下将制得的锆酸镧钇粉体干压成型为素坯，再将所得素坯在180～230MPa进行冷等静压处理，即得锆酸镧钇陶瓷素坯。

14.根据权利要求13所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述干压成型和冷等静压处理均在室温下进行。

15.根据权利要求13所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述冷等静压处理的时间为1～3分钟。

16.根据权利要求3、7或13所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的锆酸镧钇粉体的平均粒径为50～100nm。

17.根据权利要求2所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述烧结的步骤如下：将制得的锆酸镧钇陶瓷素坯先在1000～1200℃预烧2～4小时，然后在真空条件下于1800～1900℃烧结4～10小时。

18.根据权利要求17所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述真空条件为真空度≤5.0×10^-3Pa。

19.根据权利要求2所述的透明陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述退火热处理的步骤如下：将烧结后的样品在空气气氛中于1400～1600℃下保温4～10小时。

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