一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法
阅读说明：本技术 一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法 (Preparation method of trivalent chromium ion doped magnesium aluminate spinel transparent ceramic ) 是由 郝艳 王申 张艺博 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法,包括如下步骤：(1)原料称量；(2)球磨混合；(3)干压成型；(4)预烧结；(5)热压烧结；(6)退火处理；(7)后处理。本发明属于透明陶瓷制备技术领域,具体是指一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法。(The invention discloses a preparation method of trivalent chromium ion doped magnesium aluminate spinel transparent ceramic, which comprises the following steps: (1) weighing raw materials; (2) ball milling and mixing; (3) dry pressing and forming; (4) pre-sintering; (5) hot pressing and sintering; (6) annealing treatment; (7) and (5) post-treatment. The invention belongs to the technical field of transparent ceramic preparation, and particularly relates to a preparation method of trivalent chromium ion doped magnesium aluminate spinel transparent ceramic.)
技术领域
本发明属于透明陶瓷制备技术领域，具体是指一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法。
背景技术
镁铝尖晶石(MgAl2O4)透明陶瓷的透光波段覆盖紫外到红外区域，有优异的光学性能，且兼具耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗辐照、高硬度和高抗弯强度，适当的热膨胀系数等理化特性，在1250℃以下的温度范围内具有良好的化学稳定性和机械稳定性，是一种非常理想的功能材料，可广泛应用于激光、照明、透明装甲车、军事国防等众多领域。
镁铝尖晶石透明陶瓷的研究始于20世纪70年代。1974年美国科学家Batton采用高温烧结方法制备了镁铝尖晶石透明陶瓷，但由于方法和工艺的限制，使得材料的透过率很低，存在严重的光散射。随后，众多学者分别采用熔融浇注法、真空热压法、放电等离子烧结技术等方法获得了光学性能优异的镁铝尖晶石透明陶瓷。我国在MAS透明陶瓷的研究始于20世纪90年代，并于1996年研制出从紫外到红外区域高透过率的MAS透明陶瓷，其透光范围几乎覆盖紫外到红外区域(190nm＜λ＜6000nm)，从1000-4000nm，透过率接近理论值，4000nm以后透过率开始下降，但与蓝宝石和氮氧化铝相比，其透过率依然较好。同时，镁铝尖晶石透明陶瓷还具有耐腐蚀性、高介电性、良好的电绝缘性以及机械加工性能，其硬度随温度的变化不是很明显，是一种综合性能优良的透明陶瓷。
过渡金属离子Cr3+是一种重要的发光中心离子，其约在470nm(4A2→4T1)与570nm(4A2→4T2)波段有较强的二吸收带。在MgAl2O4中，Cr3+离子外层3d3电子产生686nm(2Eg→4A2g)的红光发射，将Cr3+引入镁铝尖晶石制备的MgAl2O4透明陶瓷，兼具Cr3+的较强红光发射与镁铝尖晶石的优良光学特性。
发明内容
为了解决上述难题，本发明提供了一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法。
为了实现上述功能，本发明采取的技术方案如下：一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料称量，Y2O3和LiF，按摩尔份数计包括如下原料：MgO10份、Al2O39.98～9.995份和Cr2O30.005～0.02份，还包括烧结助剂，所述烧结助剂为MgO、Al2O3和Cr2O3混合重量的0～4wt％；
(2)球磨混合，采用球磨机混合2～20h，球磨机转速为200～600rpm，选用玛瑙罐或聚氨脂罐，磨球选用玛瑙球或锆球，球磨介质是由液体介质和磨球组成，液体介质为去离子水或醇类，原料：球：液体介质的质量比＝1：5～20：1～20；
(3)干压成型，将步骤(2)得到的混合浆料在80～120℃下烘干，采用压片机进行干压成型，干压成型过程中采用的轴单向加压方式，压力为2～10Mpa，保压时间为1～10min，制成素胚；
(4)预烧结，成型的素胚放于刚玉坩埚中，将刚玉坩埚和样品放入马弗炉，采用1～10℃/min升温速率，升温至1000～1400℃，保温1～4h；
(5)热压烧结，将步骤(4)中预烧结后的素胚放入热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为1500～1700℃，烧结时间为1～20h，烧结压力值为20～60Mpa；
(6)退火处理，热压烧结结束后，脱模，将样品放入刚玉坩埚在氧化环境中进行退火处理，退火温度800～1200℃，退火时间1～10h，利用氧化环境退火，主要减小碳污染和氧缺陷；
(7)后处理，对步骤(6)处理得到的产品进行平面研磨抛光处理，即可得到三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷。
优选的，所述步骤(1)中烧结助剂为Y2O3和LiF中的一种或两种混合。
优选的，所述步骤(3)中混合浆料的烘干温度为100℃。
优选的，所述步骤(5)中保温时间为5～10h。
本发明采取上述方案取得有益效果如下：本发明提供的一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，将三价铬离子掺杂镁铝尖晶石中，获得的三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷，在600～6000nm波段的透光率优于65％，在发射波长处透光率达67％，非常适合作为红光激光器的工作物质以及荧光温度敏感材料。
附图说明
图1为本发明一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法的工艺流程图；
图2为本发明一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法中的实施例1和实施例3制备的透明陶瓷的SEM对比图；
图3为本发明一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法的实施例3制备的透明陶瓷的透过率曲线；
图4为本发明一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法的实施例3制备的透明陶瓷的荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施对本发明的技术方案进行进一步详细地说明，本发明所述的技术特征没有进行详细描述的部分均为采用的现有技术。
以下结合实施例，对本发明做进一步详细说明。
实施例1(参照组)
一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料称量，称取3.3996g(0.08435mol)的MgO粉体，8.668g(0.08345mol)的γ-Al2O3粉体，0.2856g的Y2O3粉体和0.12g的LiF粉体；
(2)球磨混合，将步骤(1)称好的粉体放入玛瑙球磨罐中，加入72g的玛瑙球，无水乙醇36g，然后研磨3h，制得浆料；
(3)干压成型，球磨后将浆料在100℃烘干，采用压片机进行干压成型，用8MPa的压力轴向单向加压，保压8min，压制成φ24mm的圆片，即得到素胚；
(4)预烧结，预烧结，将步骤(3)放入刚玉坩埚中放入马弗炉中，以4℃/min的升温速率升至1400℃，保温3h；
(5)热压烧结，将预烧后的预制片放入热压烧结炉中烧结，先以17℃/min的升温速率升至1000℃，然后以7℃/min的升温速率升至1700℃，保温时间为6h，烧结压力为50Mpa；
(6)退火处理，热压烧结结束后，脱模，将样品放入刚玉坩埚在氧化环境中进行退火处理，退火温度1000℃，退火时间8h；
(7)后处理，对步骤(6)处理得到的产品进行平面研磨抛光处理，采用抛光机对陶瓷进行研磨和抛光至1mm厚，得到三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷，此时Cr3+的原子百分率为0.37％
实施例2
一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料称量，称取3.3996g(0.08435mol)的MgO粉体，8.5952g(0.08430mol)的γ-Al2O3粉体，0.0077g(0.00005mol)Cr2O3粉体，0.2856g的Y2O3粉体和0.12g的LiF粉体；
(2)球磨混合，将步骤(1)称好的粉体放入玛瑙球磨罐中，加入72g的玛瑙球，无水乙醇36g，然后研磨3h，制得浆料；
(3)干压成型，球磨后将浆料在100℃烘干，采用压片机进行干压成型，用4MPa的压力轴向单向加压，保压10min，压制成φ24mm的圆片，即得到素胚；
(4)预烧结，将步骤(3)放入刚玉坩埚中放入马弗炉中，以4℃/min的升温速率升至1300℃，保温2h；
(5)热压烧结，将预烧后的预制片放入热压烧结炉中烧结，先以17℃/min的升温速率升至1000℃，然后以7℃/min的升温速率升至1700℃，保温时间为7.5h，烧结压力为30Mpa；
(6)退火处理，热压烧结结束后，脱模，将样品放入刚玉坩埚在氧化环境中进行退火处理，退火温度800℃，退火时间6h；
(7)后处理，对步骤(6)处理得到的产品进行平面研磨抛光处理，采用抛光机对陶瓷进行研磨和抛光至1mm厚。
实施例3
一种三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料称量，称取3.3996g(0.08435mol)的MgO粉体，8.5844g(0.084mol)的γ-Al2O3粉体，0.0237g(0.000156mol)Cr2O3粉体，0.2856g的Y2O3粉体和0.12g的LiF粉体；
(2)球磨混合，将步骤(1)称好的粉体放入玛瑙球磨罐中，加入72g的玛瑙球，无水乙醇36g，然后研磨3h，制得浆料；
(3)干压成型，球磨后将浆料在100℃烘干，采用压片机进行干压成型，用8MPa的压力轴向单向加压，保压8min，压制成φ24mm的圆片，即得到素胚；
(4)预烧结，预烧结，将步骤(3)放入刚玉坩埚中放入马弗炉中，以4℃/min的升温速率升至1400℃，保温3h；
(5)热压烧结，将预烧后的预制片放入热压烧结炉中烧结，先以17℃/min的升温速率升至1000℃，然后以7℃/min的升温速率升至1700℃，保温时间为6h，烧结压力为50Mpa；
(6)退火处理，热压烧结结束后，脱模，将样品放入刚玉坩埚在氧化环境中进行退火处理，退火温度1000℃，退火时间8h；
(7)后处理，对步骤(6)处理得到的产品进行平面研磨抛光处理，采用抛光机对陶瓷进行研磨和抛光至1mm厚，得到三价铬离子掺杂镁铝尖晶石透明陶瓷，此时Cr3+的原子百分率为0.37％。
将制备的透明陶瓷进行表征，图2(a)和(b)分别为实施例1和实施例3制得的透明陶瓷的断面扫描电镜图，从图中看出实施例1和实施例3的透明陶瓷都较为致密，没有明显的气孔，晶粒尺寸约在30μm至100μm；图3是实施例1和实施例3制得的透明陶瓷在紫外-可见-红外光区的透光率曲线，从图中可看出该透明陶瓷的透光范围很广泛，实施例3制得的透明陶瓷在600nm到6000nm的波段范围内透光率优于60％，其中实施例1制得的透明陶瓷在该范围内的透光率优于70％；将实施例3制得的透明陶瓷进行了荧光光谱检测，如图4所示，由图可知，该陶瓷在350nm到600nm范围内都可被有效的激发，产生深红色发射光，最强发射峰位于686nm处，最佳的激发波长为552nm。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实施例中所示的也只是本发明的实施方式之一，但并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的实施例，均应属于本发明的保护范围。