一種激光透明陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光透明陶瓷的制備方法，將原料進行稱量制得粉體；將所述粉體進行干壓成型，得到半成品；將所述半成品進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為500~1100℃；將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動的燒結溫度為1500~2000℃，壓力為4~55Mpa；將經(jīng)過熱壓振動燒結的所述半成品進行退火處理，退火溫度為900~1500℃；將經(jīng)過退火處理的所述半成品打磨拋光，制得Re：YAG激光透明陶瓷。相應的，本發(fā)明還公開了一種采用上述制備方法制得的激光透明陶瓷。采用本發(fā)明，可以同時滿足燒結工藝耗時短、產(chǎn)品性能優(yōu)異的要求。
【專利說明】一種激光透明陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及透明陶瓷領域，特別涉及一種稀土摻雜YAG的激光透明陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002]摻雜Nd的YAG透明陶瓷材料是近十幾年來激光工作物質制備領域最為重要的創(chuàng)新成果。相對于單晶，多晶YAG陶瓷具有更好的光學性能和高溫力學性能，且制備工藝簡單、成本低廉，可替代單晶YAG，被廣泛認為是非常優(yōu)異的激光基質材料。
[0003]1990年，日本學者M.sekita等采用化學共沉淀法制備YAG粉料，用等靜壓成型和真空燒結工藝制得不同摻釹量的YAG陶瓷，其中l(wèi)at%Nd:YAG陶瓷除具有較大的背景吸收外，其它光譜性能幾乎與單晶Nd = YAG相同。1995年日本A.1kesue首次利用高純度的A1203、Y2O3> Nd2O3為原料，以SiO2為燒結助劑，采用固相真空燒結工藝制備出高度透明的NdiYAG陶瓷，相對密度為99.98%，其折射率和熱導率與單晶相當。在此基礎上研制出了世界第一臺能與Nd:YAG單晶激光器相媲美的透明Nd:YAG陶瓷激光器。在此推動下使得NdiYAG透明陶瓷制備技術得到飛速發(fā)展。隨后，日本神島(Konoshima)化學公司采用一種新的方法即:納米技術制備粉料和真空燒結技術成功制備出了高透明Nd:YAG陶瓷。透明的Nd:YAG陶瓷的吸收、發(fā)射和熒光壽命等光學性能與單晶幾乎一致，以這種陶瓷制備的激光器激光輸出功率達317mw。
[0004]2007年2月，美國勞倫斯Livermore實驗室的科學家們利用日本Konoshima化學公司生產(chǎn)的Nd:YAG透明陶瓷，研制的全固態(tài)熱容激光器(SSHC，采用尺寸為100、100、20mm透明激光陶瓷作為激光工作物質)實現(xiàn)最大輸出功率達67kw，它可以在7秒內將25mm厚的鋼板擊穿。這引起了各國國防部門的極大關注，使得Nd:YAG激光陶瓷材料代替激光晶體成為美國軍方未來固體激光武器使用材料的重要選項。它代表了迄今固體激光技術發(fā)展的最高水平，并將成為未來10年最重要的演示論證項。
[0005]國內關于YAG透明陶瓷的研究始于2000年。2004年，東北大學采用高純Al2O3和Nd2O3以及采用Y2(OH)5(NO3).ηΗ20熱解自制的Y2O3超細粉為原料，采用固相反應工藝，得到了高透光的Nd:YAG陶瓷，其在可見光區(qū)最大透光率為63%，在紅外光區(qū)的透光率接近70%。2006年5月，中國科學院上海硅酸鹽研究所經(jīng)過近6年的相關研究與大量的實驗、測試，采用高純商業(yè)A1203、Nd2O3和Y2O3超微粉體作為原料、在165(Tl780°C真空條件下保溫IOh以上，成功制備了高質量的Nd:YAG透明陶瓷，在國內首次實現(xiàn)了 Nd:YAG透明陶瓷的激光輸出。
[0006]從目前已有的文獻和專利分析，較成熟的YAG透明陶瓷的制備方法是采用固相法或液相法制備氧化物或YAG粉體，然后將半成品進行真空燒結。真空燒結工藝雖然可以制備出質量較好的樣品，但是該燒結工藝周期長，約2~3天，受限因素較多如升溫速度、保溫時間及降溫速度等，不易控制，成本較高。
[0007]此外，采用真空燒結時，需要配合多種燒結助劑的使用，如TEOS、MgO、CaO或SiO2等，才使得產(chǎn)品燒結致密。但是，過多的使用燒結助劑等添加劑，會引入雜質，降低制品的純度。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種激光透明陶瓷的制備方法，其在保證產(chǎn)品獲得優(yōu)異性能的前提下，仍能降低燒結工藝耗時，降低成本。
[0009]本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種激光透明陶瓷的制備方法，減少燒結助劑的使用。
[0010]本發(fā)明所要解決的技術問題還在于，提供一種采用上述激光透明陶瓷的制備方法制成的激光透明陶瓷。
[0011]為達到上述技術效果，本發(fā)明提供了一種激光透明陶瓷的制備方法，包括:
將原料按Y3Al5O12和RexYhAl5O12的化學計量比進行稱量，制得粉體；
將所述粉體進行干壓成型，得到半成品；
將所述半成品進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為50(Tll0(rC ；
將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動的燒結溫度為 150(T2000°C，壓力為 4~ 55Mpa ；
將經(jīng)過熱壓振動燒結的所述半成品進行退火處理，退火溫度為90(Tl50(rC ；
將經(jīng)過退火處理的所述半成品打磨拋光，制得Re =YAG激光透明陶瓷。
[0012]作為上述方案的改進，將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結的步驟包括:
首先，將所述半成品以8-12°C /分鐘的速度升溫至800-1200°C ；
然后，將所述半成品以4-8°C /分鐘的速度升溫至1500-200(TC，并保溫l_3h，壓力為10-30T ；
最后，將所述半成品隨爐冷卻。
[0013]作為上述方案的改進，將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結的步驟包括:
首先，將所述半成品以10°c /分鐘的速度升溫至1000°C ；
然后，將所述半成品以6°c /分鐘的速度升溫至1760°C，并保溫2h，壓力為20T ；
最后，將所述半成品隨爐冷卻。
[0014]作為上述方案的改進，將原料按Y3Al5O12和RexY3_xAl5012的化學計量比進行稱量，通過固相法制得粉體，包括以下步驟:
采用A1203、Y2O3和稀土氧化物為主要原料，按Y3Al5O12和RexVxAl5O12的化學計量比進行稱量；
以所述原料為基料，加入燒結助劑和溶劑混合球磨24~72h，得到漿料；
將所述漿料放入烘箱干燥，干燥溫度為5(T10(TC，然后研磨過100-250目篩，得到粉體。
[0015]作為上述方案的改進，將原料按Y3Al5O1JPRexVxAl5O1J^化學計量比進行稱量，通過共沉淀法制得粉體，包括以下步驟:
采用硝酸鋁、硝酸釔和稀土硝酸鹽為主要原料，按Y3Al5O1JPRexYhAl5O12的化學計量比進行稱量，配置成濃度為0.08mol/r1.2mol/L的金屬鹽溶液；
將濃度為0.08mol/L~2.4mol/L的碳酸氫銨溶液按一定的速度滴定到所述金屬鹽溶液，邊攪拌邊滴定；
將沉淀液在室溫下熟化15-30h后，對其進行抽濾、水洗、醇洗、干燥、研磨，得到預粉體，其中，干燥溫度為5(Tl00°C ；
將所述預粉體于90(Tl20(TC下煅燒2-4h，制得Re =YAG粉體；
以所述Re:YAG粉體為基料，加入燒結助劑和溶劑混合球磨24~72h，得到漿料；
將所述漿料放入烘箱干燥，干燥溫度為5(T10(TC，然后研磨過100-250目篩，得到粉體。
[0016] 作為上述方案的改進，所述燒結助劑為正硅酸乙酯，所述燒結助劑的添加量為所述原料質量的0~2wt% ；
所述溶劑為水或無水乙醇，所述溶劑的添加量與所述原料的質量之比為1:3~3:1。
[0017]作為上述方案的改進，所述球磨步驟采用Al2O3球和ZrO2球為球磨介質。
[0018]作為上述方案的改進，所述Y3Al5O12和RexY3_xAl5012中，x=0~3，Re為Nd、Cr、Yb、Er、Tb稀土元素中的一種或多種。
[0019]作為上述方案的改進，將經(jīng)過退火處理的所述半成品打磨拋光，制得Re:YAG激光透明陶瓷的步驟包括:
將經(jīng)過退火處理的所述半成品經(jīng)過金剛石砂輪進行打磨，所述打磨包括表面粗磨和細
磨；
將經(jīng)過打磨的所述半成品經(jīng)過金剛石研磨膏進行拋光處理，制得Re:YAG激光透明陶瓷。
[0020]相應地，本發(fā)明提供了一種激光透明陶瓷，其采用Al2OyY2O3和稀土氧化物為主要原料，或者采用硝酸鋁、硝酸釔和稀土硝酸鹽為主要原料，將所述主要原料按Y3Al5O12和RexY3-XAl5O12的化學計量比進行稱量，并通過如權利要求1-9任一項所述激光透明陶瓷的制備方法制得；
其中，x=0~3，Re為Nd、Cr、Yb、Er、Tb稀土元素中的一種或多種。
[0021]實施本發(fā)明具有如下有益效果:
一、本發(fā)明提供一種激光透明陶瓷及其制備方法，采用和以往不同的熱壓振動燒結方法制作上述激光透明陶瓷，能在保證產(chǎn)品獲得高致密、晶粒均勻、氣孔少、晶界和晶格缺陷少，透過率高等優(yōu)異性能的前提下，仍能縮短燒結周期，降低燒結工藝耗時，降低成本。
[0022]首先，采用熱壓振動燒結工藝，被燒結材料在上下施加恒力的同時，施加一個可調振幅和頻率的振動力,這樣上下同時施加的是恒力加可變力，疊加就產(chǎn)生振動力。材料在熱壓過程中加快擴散致密。
[0023]其次，物料在熱壓振動燒結時，受到兩個大小相同，方向相反的力。這兩個力時刻也在變動，時刻達到一種動態(tài)的平衡，這樣比原來傳統(tǒng)的熱壓燒結的單向壓力多出了一個受力面，可以使物料在這樣的雙向作用下達到最大可能的致密，從而達到本物料的最佳性倉泛。
[0024]再次，在熱壓后期的擴散爬移階段，材料內部伴隨收縮，其大部分氣孔已經(jīng)排除，氣孔的收縮速度會大幅度減少，而且氣孔大部分變成閉氣孔，彼此孤立的閉氣孔受到擴散爬移的應力影響仍會不斷收縮。而隨著封閉氣孔內壓力增大，進一步排除這些孤立氣孔就變得比較困難。擴散爬移的速度是去掉封閉氣孔的關鍵。而本發(fā)明熱壓振動燒結工藝，可變頻率和振幅的外加振動力提供了激勵因子，增加了擴散爬移速度。達到了最后排除氣孔的作用。因此，熱壓振動燒結主要是利用了振動這一項，使物料在高溫狀態(tài)下形成更均勻的內部結構，可以使物料盡可能的致密。
[0025]總之，熱壓振動燒結工藝在物料高溫燒結的同時，給物料外加一個壓力，使物料在壓力狀態(tài)下進行燒結，這樣，物料容易得到充分致密化。而且，可使物料在高溫狀態(tài)下形成更均勻的內部結構，這樣可以縮短本發(fā)明激光透明陶瓷的燒結周期至IOlOh左右，燒結周期明顯快于真空燒結，且升溫速度快、保溫時間短、水冷快速降溫，有效降低成本。同時，還可達到更佳的性能、更高的指標，所制得的激光透明陶瓷致密度高(密度可達4.60g/cm3),晶粒均勻，氣孔少，晶界和晶格缺陷少，透過率高、在可見光區(qū)透光率>70%，紅外區(qū)透光率
>80% ο
[0026]二、由于本發(fā)明采用的是熱壓振動燒結，在燒結時會對粉體施加壓力和振動能夠使產(chǎn)品快速燒結致密，因此，本發(fā)明只需采用一種燒結助劑正硅酸乙酯即可達到相應的效果，且其添加量為(T2wt%，避免了過多使用燒結助劑，減少雜質的引入，提高制品的純度、致密度，簡化了制備工藝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明一種激光透明陶瓷的制備方法一實施例的流程圖；
圖2是本發(fā)明一種激光透明陶瓷的制備方法又一實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]為使本發(fā)明的目的`、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述。
[0029]透明激光陶瓷的制備工藝過程與一般陶瓷制品大致相同，包括粉體制備，成型，燒結及后處理等工藝。但是透明陶瓷的制備也有其自身的特點；當光通過某一介質時，由于介質的吸收、反射、散射和折射等效應而使其強度衰減。在吸收很小的多晶材料中，散射可能是減弱光強的主要原因，這也是制備透明陶瓷的困難之一。散射的主要原因是多晶中的氣孔、非主晶相、在一個相中的成份梯度變化、晶界和晶格缺陷等。因此要使陶瓷具有透光性，就應該從工藝上盡量減少氣孔、雜質、晶界等各種缺陷造成的光散射和吸收，從而制備出致密透明的陶瓷體。
[0030]為了獲得高透過率的透明陶瓷，就要求在真空燒結時考慮升溫速度、保溫時間和降溫速度等工藝因素，通過緩慢升溫、長時間保溫及緩慢降溫等使陶瓷可以獲得高致密度、晶粒均勻、低氣孔率、晶界和晶格缺陷小、高透過率等優(yōu)異性能，這就使得燒結工藝耗時長、受限因素較多、成本較高。
[0031]即，現(xiàn)有的激光透明陶瓷的制備方法不能同時滿足燒結工藝耗時短、產(chǎn)品性能優(yōu)異的要求。
[0032]參見圖1，本發(fā)明提供了激光透明陶瓷的制備方法的一實施例，包括:
SlOl，采用Al2O3J2O3和稀土氧化物為主要原料，按Y3Al5O12和RexY3_xAl5012的化學計量比進行稱量。
[0033]所述Y3Al5O12 和 RexY3_xAl5012 中，x=0~3，Re 為 Nd、Cr、Yb、Er、Tb 稀土元素中的一種或多種。
[0034]優(yōu)選的，Re為Yb、Er、Tb稀土元素中的任一種。
[0035]S102,以所述原料為基料，加入燒結助劑和溶劑混合球磨24~72h，得到漿料。
[0036]具體的，所述燒結助劑優(yōu)先選用正硅酸乙酯，所述燒結助劑的添加量為所述原料質量的(T2wt% ;所述溶劑優(yōu)先選用水或無水乙醇，所述溶劑的添加量與所述原料的質量之比為1:3~3:1。
[0037]所述球磨步驟采用Al2O3球和ZrO2球為球磨介質。
[0038]S103，將所述漿料放入烘箱干燥，干燥溫度為5(T10(TC，然后研磨過100~250目篩，得到粉體。
[0039]S104，將所述粉體進行干壓成型，得到半成品。
[0040]具體的，步驟S104包括:
將所述粉體置于模具中；
將填有所述粉體的模具置于壓機中進行干壓成型，得到半成品，所述壓機的公稱壓力為 20~200T。
[0041]優(yōu)選的，干壓成型的壓力為38~60Τ。
[0042]更佳的，干壓成型的壓力為40 T、45 T、50 T或55Τ。
[0043]需要說明的是，本步驟根據(jù)激光透明陶瓷所需的形狀和尺寸制作出相應的模具，再將經(jīng)過預處理的粉體置于該模具中，經(jīng)壓機施加壓力進行干壓成型，得到致密坯體。
[0044]S105，將所述半成品進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為500^1IOO0C ο
[0045]優(yōu)選的，低溫熱處理的溫度為50(Ti00(rc。
[0046]更佳的，低溫熱處理的溫度為60(T800°C。
[0047]S106，將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動的燒結溫度為150(T2000°C，壓力為4~55Mpa。
[0048]優(yōu)選的，所述熱壓振動燒結的燒結溫度為160(Tl90(TC，壓力為5~50MPa。
[0049]進一步，所述熱壓振動燒結通過不同的速率升溫至不同的溫度，再在不同的溫度下進行燒結，可以使燒結反應更為充分、均化。具體的，所述熱壓振動燒結的燒結機制如下:首先，將所述半成品以8-12°C /分鐘的速度升溫至800-1200°C ;然后，將所述半成品以4-8°C /分鐘的速度升溫至1500-2000°C，并保溫l_3h，壓力為10-30T ;最后，將所述半成品隨爐冷卻。
[0050]更佳的，熱壓振動燒結的具體燒結機制如下:首先，將所述半成品以10°C /分鐘的速度升溫至1000°c ;然后，將所述半成品以6°C /分鐘的速度升溫至1760°C，并保溫2h，壓力為20T ;最后，將所述半成品隨爐冷卻。
[0051]一開始，在較低的溫度下(室溫~1000°C )時，制品尚未有燒結反應，也未有收縮，可以適當以10°C /分鐘速率的快速升溫，可以縮短燒結工藝耗時；而在溫度為100(Tl76(rC時，有YAG的固相法應，制品也逐步致密化，此時降低升溫速率，可以使反應更為充分、均化。最后，隨爐冷卻、緩慢降溫。通過上述三個不同階段的燒結溫度、升/降溫速率的控制，可以使陶瓷獲得高致密度、晶粒均勻、低氣孔率、晶界和晶格缺陷小、高透過率等優(yōu)異性能。
[0052]S107，將經(jīng)過熱壓振動燒結的所述半成品進行退火處理，退火溫度為90(Tl50(rC。
[0053]優(yōu)選的，所述退火溫度為100(Tl400°C。
[0054] 更佳的，所述半成品在退火處理過程中，以2_8°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫TlOh0
[0055]S108，將經(jīng)過退火處理的所述半成品打磨拋光，制得Re:YAG激光透明陶瓷。
[0056]具體的，步驟S108包括:
將經(jīng)過退火處理的所述半成品經(jīng)過金剛石砂輪進行打磨，所述打磨包括表面粗磨和細
磨；
將經(jīng)過打磨的所述半成品經(jīng)過金剛石研磨膏進行拋光處理，制得Re:YAG激光透明陶瓷。
[0057]參見圖2，本發(fā)明提供了激光透明陶瓷的制備方法的又一實施例，包括:
S201，采用硝酸鋁、硝酸釔和稀土硝酸鹽為主要原料，按Y3Al5O12和RexY3_xAl5012的化學計量比進行稱量，配置成濃度為0.08mol/L^l.2mol/L的金屬鹽溶液。
[0058]所述Y3Al5O12 和 RexY3_xAl5012 中，x=0~3，Re 為 Nd、Cr、Yb、Er、Tb 稀土元素中的一種或多種。
[0059]優(yōu)選的，Re為Yb、Er、Tb稀土元素中的任一種。
[0060]S202，將濃度為0.08mol/L~2.4mol/L的碳酸氫銨溶液按一定的速度滴定到所述金屬鹽溶液，邊攪拌邊滴定。
[0061]優(yōu)選的，所述滴定速度為20-60滴/分鐘。
[0062]更佳的，所述滴定速度為40滴/分鐘。
[0063]S203，將沉淀液在室溫下熟化15_30h后，對其進行抽濾、水洗、醇洗、干燥、研磨，得到預粉體，其中，干燥溫度為5(noo°c。
[0064]S204,將所述預粉體于90(Tl20(TC下煅燒2_4h，制得Re =YAG粉體。
[0065]S205,以所述Re =YAG粉體為基料，加入燒結助劑和溶劑混合球磨24~72h，得到漿料。
[0066]具體的，所述燒結助劑優(yōu)先選用正硅酸乙酯，所述燒結助劑的添加量為所述原料質量的(T2wt% ;所述溶劑優(yōu)先選用水或無水乙醇，所述溶劑的添加量與所述原料的質量之比為1:3~3:1。
[0067]所述球磨步驟采用Al2O3球和ZrO2球為球磨介質。
[0068]S206,將所述漿料放入烘箱干燥，干燥溫度為5(TlO(TC，然后研磨過100~250目篩，得到粉體。
[0069]S207，將所述粉體進行干壓成型，得到半成品。
[0070]具體的，步驟S207包括:
將所述粉體置于模具中；
將填有所述粉體的模具置于壓機中進行干壓成型，得到半成品，所述壓機的公稱壓力為 20~200T。
[0071]優(yōu)選的，干壓成型的壓力為38~60Τ。
[0072]更佳的，干壓成型的壓力為40 T、45 T、50 T或55Τ。[0073]需要說明的是，本步驟根據(jù)激光透明陶瓷所需的形狀和尺寸制作出相應的模具，再將經(jīng)過預處理的粉體置于該模具中，經(jīng)壓機施加壓力進行干壓成型，得到致密坯體。
[0074]S208,將所述半成品進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為500^1IOO0C ο
[0075]優(yōu)選的，低溫熱處理的溫度為500°C ^lOOO0C。
[0076]更佳的，低溫熱處理的溫度為600°C "800°C。
[0077]S209，將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動的燒結溫度為150(T2000°C，壓力為4~55Mpa。
[0078]優(yōu)選的，所述熱壓振動燒結的燒結溫度為160(Tl90(TC，壓力為5~50MPa。
[0079]進一步，所述熱壓振動燒結通過不同的速率升溫至不同的溫度，再在不同的溫度下進行燒結，可以使燒結反應更為充分、均化。具體的，所述熱壓振動燒結的燒結機制如下:首先，將所述半成品以8-12°C /分鐘的速度升溫至800-1200°C ;然后，將所述半成品以4-8°C /分鐘的速度升溫至1500-2000°C，并保溫l_3h，壓力為10-30T ;最后，將所述半成品隨爐冷卻。
[0080]更佳的，熱壓振動燒結的具體燒結機制如下:首先，將所述半成品以10°C /分鐘的速度升溫至1000°c ;然后，將所述半成品以6°C /分鐘的速度升溫至1760°C，并保溫2h，壓力為20T ;最后，將所述半成品隨爐冷卻。
[0081]一開始，在較低的溫度下(室溫~1000°C )時，制品尚未有燒結反應，也未有收縮，可以適當以10°C /分鐘速率的快速升溫，可以縮短燒結工藝耗時；而在溫度為100(Tl76(rC時，有YAG的固相法應，制品也逐步致密化，此時降低升溫速率，可以使反應更為充分、均化。最后，隨爐冷卻、緩慢降溫。`通過上述三個不同階段的燒結溫度、升/降溫速率的控制，可以使陶瓷獲得高致密度、晶粒均勻、低氣孔率、晶界和晶格缺陷小、高透過率等優(yōu)異性能。
[0082]S210，將經(jīng)過熱壓振動燒結的所述半成品進行退火處理，退火溫度為90(Tl50(rC。
[0083]優(yōu)選的，所述退火溫度為100(Tl400°C。
[0084]更佳的，所述半成品在退火處理過程中，以2_8°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫TlOh0
[0085]S211，將經(jīng)過退火處理的所述半成品打磨拋光，制得Re:YAG激光透明陶瓷。
[0086]具體的，步驟S211包括:
將經(jīng)過退火處理的所述半成品經(jīng)過金剛石砂輪進行打磨，所述打磨包括表面粗磨和細
磨；
將經(jīng)過打磨的所述半成品經(jīng)過金剛石研磨膏進行拋光處理，制得Re:YAG激光透明陶瓷。
[0087]與現(xiàn)有技術相比，圖1和圖2所示的實施例均采用熱壓振動燒結工藝進行透明陶瓷的燒結處理:
首先，采用熱壓振動燒結工藝，被燒結材料在上下施加恒力的同時，施加一個可調振幅和頻率的振動力，這樣上下同時施加的是恒力加可變力，疊加就產(chǎn)生振動力。材料在熱壓過程中加快擴散致密。
[0088]其次，物料在熱壓振動燒結時，受到兩個大小相同，方向相反的力。這兩個力時刻也在變動，時刻達到一種動態(tài)的平衡，這樣比原來傳統(tǒng)的熱壓燒結的單向壓力多出了一個受力面，可以使物料在這樣的雙向作用下達到最大可能的致密，從而達到本物料的最佳性倉泛。
[0089]再次，在熱壓后期的擴散爬移階段，材料內部伴隨收縮，其大部分氣孔已經(jīng)排除，氣孔的收縮速度會大幅度減少，而且氣孔大部分變成閉氣孔，彼此孤立的閉氣孔受到擴散爬移的應力影響仍會不斷收縮。而隨著封閉氣孔內壓力增大，進一步排除這些孤立氣孔就變得比較困難。擴散爬移的速度是去掉封閉氣孔的關鍵。而本發(fā)明熱壓振動燒結工藝，可變頻率和振幅的外加振動力提供了激勵因子，增加了擴散爬移速度。達到了最后排除氣孔的作用。因此，熱壓振動燒結主要是利用了振動這一項，使物料在高溫狀態(tài)下形成更均勻的內部結構，可以使物料盡可能的致密。
[0090]總之，熱壓振動燒結工藝在物料高溫燒結的同時，給物料外加一個壓力，使物料在壓力狀態(tài)下進行燒結，這樣，物料容易得到充分致密化。而且，可使物料在高溫狀態(tài)下形成更均勻的內部結構，這樣可以縮短本發(fā)明激光透明陶瓷的燒結周期至IOlOh左右，燒結周期明顯快于真空燒結，且升溫速度快、保溫時間短、水冷快速降溫，有效降低成本。同時，還可達到更佳的性能、更高的指標，所制得的激光透明陶瓷致密度高(密度可達4.60g/cm3),晶粒均勻，氣孔少，晶界和晶格缺陷少，透過率高、在可見光區(qū)透光率>70%，紅外區(qū)透光率
>80% ο
[0091]即，本發(fā)明能在保證產(chǎn)品獲得高致密、晶粒均勻、氣孔少、晶界和晶格缺陷少，透過率高等優(yōu)異性能的前提下，仍能縮短燒結周期，降低燒結工藝耗時，降低成本。
[0092]此外，由于本發(fā)明采用的是熱壓振動燒結，在燒結時會對粉體施加壓力和振動能夠使產(chǎn)品快速燒結致密，因此，本發(fā)明只需采用一種燒結助劑正硅酸乙酯即可達到相應的效果，且其添加量為(T2wt%，避免了過多使用燒結助劑，減少雜質的引入，提高制品的純度、致密度，簡化了制備工藝。而采用真空燒結時，由于沒有外加壓力的作用，燒結過程緩慢，而且需要多種燒結助劑如TE0S、Mg0、Ca0或SiO2等其中的一種或多種，才使得產(chǎn)品燒結致密。
[0093]下面以具體實施例對 本發(fā)明作進一步闡述，以披露更多的技術細節(jié):
實施例1
(I)將17ga -Al2O3粉體，22.374gY203粉體，0.35gNd203粉體和0.1986g正硅酸乙酯放入裝有120g高純氧化鋁球的球磨罐中，加入無水乙醇30ml，然后球磨混合48h得到漿料；(2)將漿料在60°C的烘箱中干燥，然后過100目篩，然后干壓成型，壓力為50T，得到半成品素坯；(3)將素坯于600°C進行熱處理，保溫0.5h ； (4)將熱處理后的素坯在振動熱壓爐中燒結，具體燒結機制如下:先以10°C /分鐘的速度升溫至1000°C，然后以6°C /分鐘的速度升溫至1760°C，并保溫2h，壓力為20T，然后隨爐自然水冷降溫。(5)振動熱壓燒結得到的樣品在硅鑰棒爐中退火處理，退火機制為以5°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫2h，然后隨爐冷卻；(6)最后對退火處理過的樣品進行打磨、拋光得到高透過率的Re:YAG激光透明陶瓷。
[0094]實施例2
(I)將17g a -Al2O3粉體，22.374gY203粉體，0.35gNd203粉體和0.1986g正硅酸乙酯放入裝有120g高純氧化鋁球的球磨罐中，加入無水乙醇30ml，然后球磨混合48h得到漿料；(2)將漿料在60°C的烘箱中干燥，然后過100目篩，然后干壓成型，壓力為50T，得到半成品素坯；(3)將素坯于800°C進行熱處理，保溫Ih ; (4)將熱處理后的素坯在振動熱壓爐中燒結，具體燒結機制如下:先以8°C /分鐘的速度升溫至1000°C，然后以4°C /分鐘的速度升溫至1560°C，并保溫3h，壓力為10T，然后隨爐自然水冷降溫。(5)振動熱壓燒結得到的樣品在硅鑰棒爐中退火處理，退火機制為以6°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫5h，然后隨爐冷卻；
(6)最后對退火處理過的樣品進行打磨、拋光得到高透過率的Re =YAG激光透明陶瓷。
[0095]實施例3
(I)將17ga -Al2O3粉體，22.374gY203粉體，0.35gNd203粉體和0.1986g正硅酸乙酯放入裝有120g高純氧化鋁球的球磨罐中，加入無水乙醇30ml，然后球磨混合48h得到漿料；(2)將漿料在60°C的烘箱中干燥，然后過100目篩，然后干壓成型，壓力為50T，得到半成品素坯；(3)將素坯于700°C進行熱處理，保溫2h ； (4)將熱處理后的素坯在振動熱壓爐中燒結，具體燒結機制如下:先以12°C /分鐘的速度升溫至1100°C，然后以7V /分鐘的速度升溫至1900°C，并保溫lh，壓力為10T，然后隨爐自然水冷降溫。(5)振動熱壓燒結得到的樣品在硅鑰棒爐中退火處理，退火機制為以4°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫8h，然后隨爐冷卻；(6)最后對退火處理過的樣品進行打磨、拋光得到高透過率的Re:YAG激光透明陶瓷。
[0096]實施例4
(I)將37.5g硝酸鋁、22.75g硝酸釔和0.21g硝酸釹加蒸餾水配置成333ml的金屬鹽溶液，將31.62g碳酸氫銨加蒸餾水配置成667ml的溶液；(2)將碳酸氫銨溶液滴定到金屬鹽溶液中，邊攪拌邊滴定，滴定速度為40滴/分鐘；(3)滴定完后將沉淀物熟化24h，然后過濾、水洗、醇洗，然后放入烘箱60°C烘干；(4)將粉體研磨后置于硅碳棒爐于1100°C煅燒，保溫3h ；(5)將煅燒過的粉體和0.1g正硅酸乙酯放入裝有80g高純氧化鋁球的球磨罐中，加入無水乙醇15ml，然后球磨混合24h得到漿料；(2)將漿料在60°C的烘箱中干燥，然后過150目篩，然后干壓成型，壓力為50T，得到半成品素坯；(3)將素坯于600°C進行熱處理，保溫0.5h ; (4)將熱處理后的素坯在振動熱壓爐中燒結，具體燒結機制如下:先以10°C /分鐘的速度升溫至1000°C，然后以6°C` /分鐘的速度升溫至1760°C，并保溫2h，壓力為20T，然后隨爐自然水冷降溫；(5)振動熱壓燒結得到的樣品在硅鑰棒爐中退火處理，退火機制為以5°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫2h，然后隨爐冷卻；(6)最后對退火處理過的樣品進行打磨、拋光得到高透過率的Re =YAG激光透明陶瓷。
[0097]實施例5
(I)將37.5g硝酸鋁、22.75g硝酸釔和0.21g硝酸釹加蒸餾水配置成333ml的金屬鹽溶液，將31.62g碳酸氫銨加蒸餾水配置成667ml的溶液；(2)將碳酸氫銨溶液滴定到金屬鹽溶液中，邊攪拌邊滴定，滴定速度為40滴/分鐘；(3)滴定完后將沉淀物熟化24h，然后過濾、水洗、醇洗，然后放入烘箱60°C烘干；(4)將粉體研磨后置于硅碳棒爐于110(TC煅燒，保溫3h ；(5)將煅燒過的粉體和0.1g正硅酸乙酯放入裝有80g高純氧化鋁球的球磨罐中，加入無水乙醇15ml，然后球磨混合24h得到漿料；(2)將漿料在60°C的烘箱中干燥，然后過150目篩，然后干壓成型，壓力為50T，得到半成品素坯；(3)將素坯于500°C進行熱處理，保溫Ih ； (4)將熱處理后的素坯在振動熱壓爐中燒結，具體燒結機制如下:先以9°C /分鐘的速度升溫至900°C，然后以5°C /分鐘的速度升溫至1660°C，并保溫3h，壓力為25T，然后隨爐自然水冷降溫；(5)振動熱壓燒結得到的樣品在硅鑰棒爐中退火處理，退火機制為以6°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫2h，然后隨爐冷卻；(6)最后對退火處理過的樣品進行打磨、拋光得到高透過率的Re:YAG激光透明陶瓷。
[0098]實施例6(I)將37.5g硝酸鋁、22.75g硝酸釔和0.21g硝酸釹加蒸餾水配置成333ml的金屬鹽溶液，將31.62g碳酸氫銨加蒸餾水配置成667ml的溶液；(2)將碳酸氫銨溶液滴定到金屬鹽溶液中，邊攪拌邊滴定，滴定速度為40滴/分鐘；(3)滴定完后將沉淀物熟化24h，然后過濾、水洗、醇洗，然后放入烘箱60°C烘干；(4)將粉體研磨后置于硅碳棒爐于1100°C煅燒，保溫3h ；(5)將煅燒過的粉體和0.1g正硅酸乙酯放入裝有80g高純氧化鋁球的球磨罐中，加入無水乙醇15ml，然后球磨混合24h得到漿料；(2)將漿料在60°C的烘箱中干燥，然后過150目篩，然后干壓成型，壓力為50T，得到半成品素坯；(3)將素坯于700°C進行熱處理，保溫1.5h ; (4)將熱處理后的素坯在振動熱壓爐中燒結，具體燒結機制如下:先以11°C /分鐘的速度升溫至1050°C，然后以5°C /分鐘的速度升溫至1800°C，并保溫2.5h，壓力為15T，然后隨爐自然水冷降溫；(5)振動熱壓燒結得到的樣品在硅鑰棒爐中退火處理，退火機制為以5°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫2h，然后隨爐冷卻；(6)最后對退火處理過的樣品進行打磨、拋光得到高透過率的Re =YAG激光透明陶瓷。
[0099]對比例I
(I)將 17ga -Al2O3粉體，22.374gY203粉體，0.35gNd203粉體和 0.2g TE0S,0.2gSi02 放入裝有120g高純氧化鋁球的球磨罐中，加入無水乙醇30ml，然后球磨混合48h得到漿料；(2)將漿料在60°C的烘箱中干燥，然后過100目篩，然后干壓成型，壓力為50T，得到半成品素坯；(3)將素坯于600°C進行熱處理，保溫0.5h ； (4)將熱處理后的素坯進行1750°C真空燒結，保溫10h。(5)真空燒結得到的樣品在硅鑰棒爐中退火處理，退火機制為以5°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫2h，然后隨爐冷卻；(6)最后對退火處理過的樣品進行打磨、拋光得到高透過率的Re =YAG激光透明陶瓷。
[0100]對比例2
(I)將37.5g硝酸鋁、22.75g硝酸釔和0.21g硝酸釹加蒸餾水配置成333ml的金屬鹽溶液，將31.62g碳酸氫銨加蒸餾水配置成667ml的溶液；(2)將碳酸氫銨溶液滴定到金屬鹽溶液中，邊攪拌邊滴定，滴定速度為40滴/分鐘；(3)滴定完后將沉淀物熟化24h，然后過濾、水洗、醇洗，然后放入烘箱60°C烘干；(4)將粉體研磨后置于硅碳棒爐于1100°C煅燒，保溫3h ; (5)將煅燒過的粉體和0.2g CaO和0.1gSiO2放入裝有80g高純氧化鋁球的球磨罐中，加入無水乙醇15ml，然后球磨混合24h得到漿料；(2)將漿料在60°C的烘箱中干燥，然后過150目篩，然后干壓成型，壓力為50T，得到半成品素坯；(3)將素坯于600°C進行熱處理，保溫0.5h ; (4)將熱處理后的素坯進行1750°C真空燒結，保溫IOh ; (5)真空燒結得到的樣品在硅鑰棒爐中退火處理，退火機制為以5°C /分鐘從室溫升至1200°C并保溫2h，然后隨爐冷卻；(6)最后對退火處理過的樣品進行打磨、拋光得到高透過率的Re =YAG激光透明陶瓷。
[0101]將實施例1-6所制得的激光透明陶瓷作以下技術檢測，并與對比例1-2采用真空燒結制得的透明陶瓷作對比，同時記錄各個制備過程中的技術參數(shù)，結果如表一所示:
【權利要求】
1.一種激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，包括: 將原料按Y3Al5O12和RexYhAl5O12的化學計量比進行稱量，制得粉體； 將所述粉體進行干壓成型，得到半成品； 將所述半成品進行低溫熱處理，其中，所述低溫熱處理的溫度為50(Tll0(rC ； 將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結，其中，所述熱壓振動的燒結溫度為 150(T2000°C，壓力為 4~55Mpa ； 將經(jīng)過熱壓振動燒結的所述半成品進行退火處理，退火溫度為90(Tl50(rC ； 將經(jīng)過退火處理的所述半成品打磨拋光，制得Re =YAG激光透明陶瓷。
2.如權利要求1所述的激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結的步驟包括: 首先，將所述半成品以8-12°C /分鐘的速度升溫至800-1200°C ； 然后，將所述半成品以4-8°C /分鐘的速度升溫至1500-200(TC，并保溫l_3h，壓力為10-30T ； 最后，將所述半成品隨爐冷卻。
3.如權利要求2所述的激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，將經(jīng)過低溫熱處理的所述半成品進行熱壓振動燒結的步驟包括: 首先，將所述半成品以10°c /分鐘的速度升溫至1000°C ； 然后，將所述半成品以6°c /分鐘的速度升溫至1760°C，并保溫2h，壓力為20T ； 最后，將所述半成品隨爐冷卻。
4.如權利要求1所述的激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，將原料按Y3Al5O1JPRexY3-XAl5O12的化學計量比進行稱量，通過固相法制得粉體，包括以下步驟: 采用A1203、Y2O3和稀土氧化物為主要原料，按Y3Al5O12和RexY3_xAl5012的化學計量比進行稱量； 以所述原料為基料，加入燒結助劑和溶劑混合球磨24~72h，得到漿料； 將所述漿料放入烘箱干燥，干燥溫度為5(T10(TC，然后研磨過100-250目篩，得到粉體。
5.如權利要求1所述的激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，將原料按Y3Al5O1JPRexY3-XAl5O12的化學計 量比進行稱量，通過共沉淀法制得粉體，包括以下步驟: 采用硝酸鋁、硝酸釔和稀土硝酸鹽為主要原料，按Y3Al5O1JPRexYhAl5O12的化學計量比進行稱量，配置成濃度為0.08mol/L^l.2mol/L的金屬鹽溶液； 將濃度為0.08mol/L~2.4mol/L的碳酸氫銨溶液按一定的速度滴定到所述金屬鹽溶液，邊攪拌邊滴定； 將沉淀液在室溫下熟化15-30h后，對其進行抽濾、水洗、醇洗、干燥、研磨，得到預粉體，其中，干燥溫度為5(Tl00°C ； 將所述預粉體于90(Tl20(TC下煅燒2-4h，制得Re =YAG粉體； 以所述Re:YAG粉體為基料，加入燒結助劑和溶劑混合球磨24~72h，得到漿料； 將所述漿料放入烘箱干燥，干燥溫度為5(T10(TC，然后研磨過100-250目篩，得到粉體。
6.如權利要求4或5所述的激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，所述燒結助劑為正硅酸乙酯，所述燒結助劑的添加量為所述原料質量的0-2wt% ； 所述溶劑為水或無水乙醇，所述溶劑的添加量與所述原料的質量之比為1:3~3:1。
7.如權利要求6所述的激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，所述球磨步驟采用Al2O3球和ZrO2球為球磨介質。
8.如權利要求1-5任一項所述的激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，所述Y3Al5O12和RexY3-xAl5012中，x=0~3，Re為Nd、Cr、Yb、Er、Tb稀土元素中的一種或多種。
9.如權利要求1所述的激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于，將經(jīng)過退火處理的所述半成品打磨拋光，制得Re =YAG激光透明陶瓷的步驟包括: 將經(jīng)過退火處理的所述半成品經(jīng)過金剛石砂輪進行打磨，所述打磨包括表面粗磨和細磨； 將經(jīng)過打磨的所述半成品經(jīng)過金剛石研磨膏進行拋光處理，制得Re:YAG激光透明陶瓷。
10.一種激光透明陶瓷，其特征在于，其采用ai2o3、y2o3和稀土氧化物為主要原料，或者米用硝Ife招、硝Ife乾和稀土硝Ife鹽為王要原料，將所述王要原料按Y3Al5O12和RexY3_xAl5012的化學計量比進行稱量，并通過如權利要求1-9任一項所述激光透明陶瓷的制備方法制得； 其中，x=0~3，Re為Nd、Cr、Yb、Er、Tb稀土元素中的一種或多種。
【文檔編號】C04B35/44GK103482970SQ201310411462
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權日:2013年9月11日
【發(fā)明者】馮斌, 李小燕, 周耀, 劉桔英, 王玉梅, 王保榮 申請人:佛山市南海金剛新材料有限公司, 佛山市陶瓷研究所有限公司