一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷的制备方法
阅读说明：本技术 一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷的制备方法 (Preparation method of nanocrystalline laser-grade sesquioxide transparent ceramic ) 是由 王俊 李晴 马杰 张长华 周刊 卜祥晒 刘鹏 王莹 章健 唐定远 沈德元 于 2021-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷的制备方法,将Y-(2)O-(3)和含Cr掺杂剂按化学式(Cr-(x)Y-(1-x))-(2)O-(3)进行称重混合,得到混合粉料,其中,0.0002≤x≤0.02,并依次经过球磨、干燥、研碎、过筛和煅烧处理,得到Cr:Y-(2)O-(3)粉体；将Cr:Y-(2)O-(3)粉体进行成型处理,得到素胚；将素胚放置于1200-1600℃的真空环境中烧结0.5-50h,再于1200-1600℃的惰性气体中热等静压烧结0.5-8h,最后在1100-1500℃的空气、氧气或还原性气氛下退火0.5-30h,经两面精细抛光后,得到Cr:Y-(2)O-(3)透明陶瓷,本发明以适量的Cr为掺杂剂,可降低纯倍半氧化物陶瓷的烧结温度,同时又能够确保所制备的陶瓷材料具有纳米级的晶粒尺寸和激光级透明度,其具有优异的机械性能和红外透过率。(The invention discloses a preparation method of nanocrystalline laser-grade sesquioxide transparent ceramic, which is prepared by mixing Y 2 O 3 And a Cr-containing dopant of the formula (Cr) x Y 1‑x ) 2 O 3 Weighing and mixing to obtain mixed powder, wherein x is more than or equal to 0.0002 and less than or equal to 0.02, and performing ball milling, drying, grinding, sieving and calcining treatment in sequence to obtain Cr, Y 2 O 3 Powder; mixing Cr with Y 2 O 3 Molding the powder to obtain a blank; sintering the green body in a vacuum environment of 1200-1600 ℃ for 0.5-50h, hot isostatic pressing in an inert gas of 1200-1600 ℃ for 0.5-8h, finally annealing in an atmosphere of 1100-1500 ℃ in air, oxygen or reducing atmosphere for 0.5-30h, and finely polishing the two surfaces to obtain Cr, Y 2 O 3 Is transparentThe ceramic material takes a proper amount of Cr as a doping agent, so that the sintering temperature of pure sesquioxide ceramic can be reduced, and simultaneously, the prepared ceramic material can be ensured to have nano-scale grain size and laser-level transparency, and has excellent mechanical properties and infrared transmittance.)
技术领域
本发明涉及一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷的制备方法，属于倍半氧化物透明陶瓷技术领域。
背景技术
相比于常见的YAG材料，倍半氧化物材料(如Y2O3、Sc2O3和Lu2O3)具有更低的声子能量、更低的热膨胀系数和更高的热导率，在高功率固体激光领域有着极大的发展潜力。但是，倍半氧化物的熔点高达2400℃以上，且相变点低于熔点，使得其单晶的生长技术极其复杂。此外，单晶的尺寸受到所需设备的限制，且机械性能较低，难以满足不同的应用。采用陶瓷制备工艺，可在远低于材料熔点的温度下烧结出倍半氧化物透明陶瓷，且更易实现大尺寸、大规模和低成本制备。同时，倍半氧化物陶瓷还具备透光范围广、机械强度高、耐火度高、介电常数高的特点，可用于制作红外窗口、红外整流罩、高温透镜以及微波基板等材料，在民用和军事领域均有极大的应用前景。
对于高功率激光系统，良好的机械性能可使材料承受更多的热应力，从而尽量避免材料的损伤，有利于功率定标放大；要用作红外整流罩，除了要求材料具备高红外透过率这一基本条件，其最大的挑战在于如何进一步提高抗弯曲能力。通过Hall-Petch公式(σ∝1/d1/2)可知，晶粒尺寸d与陶瓷的强度σ成反比关系，即晶粒尺寸越小，陶瓷的强度越高。另外，根据H.Yagi等人的报道，由于多晶陶瓷材料中的晶粒是随机取向的，因此较小的晶粒尺寸可有助于消除陶瓷的内应力。
所以，要提高倍半氧化物陶瓷的机械性能，关键在于保证陶瓷高光学质量的同时也具有较小的晶粒尺寸。通常可添加掺杂剂到基质材料中，以降低烧结温度或抑制晶界迁移率，从而减小晶粒尺寸。2015年，L.Zhang等人以ZrO2和La2O3为烧结助剂，通过真空烧结制备了Cr:Y2O3透明陶瓷，发现掺入适量的Cr有利于减小晶粒尺寸，且认为其是一种具有良好机械性能的潜在激光材料。但是，制备出的该Cr:Y2O3陶瓷的晶粒尺寸较大(Cr的掺杂浓度为0-0.7at.％时，晶粒尺寸对应为8.3-4.3μm)，且并未发现Cr掺杂的倍半氧化物陶瓷可在低温下实现致密化这一特性。Cr掺杂或者与其他稀土离子共掺(如Yb3+，Nd3+等)的晶体材料，常被用作饱和吸收体或激光增益介质，可提高激光晶体材料的闪光灯泵浦效率。所以，进一步开展对Cr掺杂的倍半氧化物透明陶瓷材料的研究具有十分重要的意义。
公开于该
背景技术
部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷的制备方法，以解决现有技术中制备出的该Cr:Y2O3陶瓷的晶粒尺寸较大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷的制备方法，包括：步骤A、将Y2O3和含Cr掺杂剂按化学式(CrxY1-x)2O3进行称重混合，得到混合粉料，其中，0.0002≤x≤0.02，并依次经过球磨、干燥、研碎、过筛和煅烧处理，得到Cr:Y2O3粉体；
步骤B、将Cr:Y2O3粉体进行成型处理，得到素胚；
步骤C、将素胚放置于1200-1600℃的真空环境中烧结0.5-50h，再于1200-1600℃的惰性气体中热等静压烧结0.5-8h，最后在1100-1500℃的空气、氧气或还原性气氛下退火0.5-30h，经两面精细抛光后，得到Cr:Y2O3透明陶瓷。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤A包括：
将称重后的Y2O3和含Cr的掺杂剂置于球磨机中并加入无水乙醇，获得混合浆料；
在混合浆料中加入磨球，通过球磨机完成对浆料的球磨处理；
将球磨处理后的混合浆料置于烘箱中烘干，得到干燥的物料；
对干燥的物料进行研碎，并进行筛选，得到过筛物料；
将得到的过筛物料置于马弗炉中进行煅烧处理，得到Cr:Y2O3粉体。
作为本发明的一种优选技术方案，所述含Cr的掺杂剂为Cr2O3、CrCl3、Cr(NO3)3、Cr2(SO4)3中的一种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述无水乙醇与Y2O3和含Cr掺杂剂的混合粉体的体积比值为1:2-5:2；
和/或，所述球磨机的转速为100-250rpm，球磨的时间为3-48h；
和/或，所述混合浆料干燥的温度为40-120℃，干燥的时间为12-48h；
和/或，所述过筛物料煅烧的温度为600-1200℃，煅烧的时间为3-10h。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B包括：将Cr:Y2O3粉体进行干压成型；对干压成型后的Cr:Y2O3粉体进行冷等静压成型，得到素胚。
作为本发明的一种优选技术方案，所述干压成型的压力为5-20Mpa；
和/或，所述冷等静压成型的压力为100-200Mpa。
作为本发明的一种优选技术方案，所述真空环境的真空度≤10-3Pa。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热等静压烧结的压力为50-200MPa。
作为本发明的一种优选技术方案，用于热等静压烧结的所述惰性气体为氩气或/和氮气；
和/或，所述用于退火的所述氧化性气氛为氧气，还原性气氛为氢气或/和氩气。
一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷，通过所述的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明以适量的Cr为掺杂剂，可降低纯倍半氧化物陶瓷的烧结温度，同时又能够确保所制备的陶瓷材料具有纳米级的晶粒尺寸和激光级透明度，其具有优异的机械性能和红外透过率。
附图说明
图1是本发明实施例1-4提供的Cr:Y2O3透明陶瓷的XRD。
图2是本发明实施例1-2提供的Cr:Y2O3透明陶瓷热等静压烧结后的SEM。
图3是本发明实施例12提供的Cr:Y2O3透明陶瓷热等静压烧结后的晶粒尺寸统计图。
图4是本发明实施例1提供的Cr:Y2O3透明陶瓷的红外光谱。
图5是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示，一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷的制备方法，包括步骤A、将商业高纯Y2O3和含Cr掺杂剂为原料，按化学式(CrxY1-x)2O3进行称重混合，得到混合粉料，其中，0.0002≤x≤0.02，并依次经过球磨、干燥、研碎、过筛和煅烧处理，得到Cr:Y2O3粉体；
步骤A包括：
将称重后的Y2O3和含Cr的掺杂剂置于球磨机中并加入无水乙醇，获得混合浆料；无水乙醇与Y2O3和含Cr掺杂剂的混合粉体的体积比值为1:2-5:2；
含Cr的掺杂剂优选为Cr2O3、CrCl3、Cr(NO3)3、Cr2(SO4)3中的一种，也为其他含Cr的掺杂剂，可根据实际需求而定。
在混合浆料中加入磨球，通过球磨机完成对浆料的球磨处理；球磨机的转速为100-250rpm，球磨的时间为3-48h；球磨后的粉体颗粒直径在50-200nm。
将球磨处理后的混合浆料置于烘箱中烘干，得到干燥的物料；混合浆料干燥的温度为40-120℃，干燥的时间为12-48h。
对干燥的物料进行研碎，并进行筛选，得到过筛物料；过筛的精度在80-300目之间。
将得到的过筛物料置于马弗炉中进行煅烧处理，得到Cr:Y2O3粉体；过筛物料煅烧的温度为600-1200℃，煅烧的时间为3-10h。
步骤B、将Cr:Y2O3粉体进行成型处理，得到素胚；
Cr:Y2O3粉体进行成型处理为：先进行干压成型，然后对干压成型后的Cr:Y2O3粉体进行冷等静压成型，得到素胚。
这里干压成型的压力为5-20Mpa，冷等静压成型的压力为100-200Mpa。
步骤C、将素胚放置于1200-1600℃的真空环境中烧结0.5-50h，真空环境的真空度≤10-3Pa；
再于1200-1600℃的惰性气体中热等静压烧结0.5-8h，热等静压烧结的压力为50-200MPa，用于热等静压烧结的所述惰性气体为氩气或/和氮气；
最后在1100-1500℃的空气、氧气或还原性气氛下退火0.5-30h，用于退火的氧化性气氛为氧气，还原性气氛为氢气或/和氩气；
经两面精细抛光后，得到Cr:Y2O3透明陶瓷。
一种纳米晶激光级倍半氧化物透明陶瓷，通过所述的制备方法制备得到。
以Cr:Y2O3陶瓷为例：
实施例一
(1)以商业高纯Y2O3和Cr2O3为原料，按照化学式0.1at.％Cr:Y2O3称取100g的Y2O3粉和0.067g的Cr2O3粉，加入适量无水乙醇后将混合物放入转速为140rpm的球磨机中球磨24h。接着，将浆料取出后放入70℃的烘箱内干燥48h后研碎，并过140μm筛，最后放入800℃的马弗炉中煅烧5h，得到Cr:Y2O3粉体。
(2)将粉体放入模具中，在10MPa的压力下进行干压成型；然后在200MPa的压力下进行冷等静压成型。
(3)将坯体放置于1260℃的真空环境下烧结7h，然后再于1240℃的氩气气氛中进行热等静压烧结3h，最后在1100℃的管式炉中氧气退火20h。样品经两面抛光后，得到Cr:Y2O3透明陶瓷。
实施例二
(1)以商业高纯Y2O3和Cr2O3为原料，按照化学式0.1at.％Cr:Y2O3称取100g的Y2O3粉和0.067g的Cr2O3粉，加入适量无水乙醇后将混合物放入转速为140rpm的球磨机中球磨24h。接着，将浆料取出后放入70℃的烘箱内干燥48h后研碎，并过140μm筛，最后放入800℃的马弗炉中煅烧5h，得到Cr:Y2O3粉体。
(2)将粉体放入模具中，在10MPa的压力下进行干压成型；然后在200MPa的压力下进行冷等静压成型。
(3)将坯体放置于1260℃的真空环境下烧结7h，然后再于1240℃的氩气气氛中进行热等静压烧结3h，最后在1100℃的管式炉中氢气退火20h。样品经两面抛光后，得到Cr:Y2O3透明陶瓷。
实施例三
(1)以商业高纯Y2O3和Cr2O3为原料，按照化学式0.1at.％Cr:Y2O3称取100g的Y2O3粉和0.067g的Cr2O3粉，加入适量无水乙醇后将混合物放入转速为140rpm的球磨机中球磨24h。接着，将浆料取出后放入70℃的烘箱内干燥48h后研碎，并过140μm筛，最后放入800℃的马弗炉中煅烧5h，得到Cr:Y2O3粉体。
(2)将粉体放入模具中，在10MPa的压力下进行干压成型；然后在200MPa的压力下进行冷等静压成型。
(3)将坯体放置于1330℃的真空环境下烧结7h，然后再于1300℃的氩气气氛中进行热等静压烧结3h，最后在1200℃的管式炉中氧气退火20h。样品经两面抛光后，得到Cr:Y2O3透明陶瓷。
实施例四
(1)以商业高纯Y2O3和Cr2O3为原料，按照化学式0.1at.％Cr:Y2O3称取100g的Y2O3粉和0.067g的Cr2O3粉，加入适量无水乙醇后将混合物放入转速为140rpm的球磨机中球磨24h。接着，将浆料取出后放入70℃的烘箱内干燥48h后研碎，并过140μm筛，最后放入800℃的马弗炉中煅烧5h，得到Cr:Y2O3粉体。
(2)将粉体放入模具中，在10MPa的压力下进行干压成型；然后在200MPa的压力下进行冷等静压成型。
(3)将坯体放置于1330℃的真空环境下烧结7h，然后再于1300℃的氩气气氛中进行热等静压烧结3h，最后在1200℃的管式炉中氢气退火20h。样品经两面抛光后，得到Cr:Y2O3透明陶瓷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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