專利名稱：一種Nd³⁺:Lu₂O₃半透明納米陶瓷的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種Lu2O3納米陶瓷制備的技術領域，特別涉及一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法。
背景技術：
當前，關于Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷燒結致密化工藝，不乏有采用SPS、熱壓、熱等靜壓等燒結工藝制備細晶粒陶瓷的報道，但其實驗條件較高，或 者對樣品存在污染，也難以制備大尺寸樣品。國際上I Strek等通過高壓低溫燒結(8GPa，450°C)制備了 Y3Al5O12(Y AG)納米晶粒(-IOOnm)的透明陶瓷，透過率達到60%，但該法對設備要求及其苛刻，且由于超高壓條件，燒結體存在較大應力，容易開裂。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的為了解決上述的技術問題而提供一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，即在常壓、還原氣氛中下，采用多步燒結法，優(yōu)選三步燒結法，成功制備了一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷。其制備過程無需復雜設備，工藝簡單，適合制備大尺寸納米陶瓷樣品。且采用該方法制備的納米陶瓷，塊體致密、均勻，幾無應力。本發(fā)明的技術方案
一種NcT = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，即在常壓、流動氫氣氛中，將NcT = Lu2O3素坯在1400°C -1750°C采用多步燒結后降至室溫即得Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷。所述的多步燒結優(yōu)選為三步燒結，以三步燒結為例，其燒結過程的溫度控制曲線的示意圖如圖I所示，圖I中，第一步燒以20-40°C /min的升溫速度至1400°C保溫,保溫15 30min ;第二步燒結以10_20°C /min的升溫速度升溫至1600_1750°C，保溫15 30min ;第三步燒結控制溫度為1600-1700°C，保溫6-20h。上述的一種NcT = Lu2O3半透明納米陶瓷的三步燒結制備方法，其具體包括如下步驟
(I )、將化學法制備的Nd離子摻雜Lu2O3高燒結活性粉體等靜壓成Nd3+: Lu2O3素坯后，置于真空爐中500-800°C保溫2h，冷卻至室溫，即得用于燒結Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷的素坯；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結Nd3+= Lu2O3納米陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣以排空爐腔中的空氣后，以20-40°C /min的升溫速度至1400-1600°C保溫，保溫15 30min ；
(3)、步驟(2)保溫結束后，立即以10-20°C/min的升溫速度升溫至1600_1750°C，優(yōu)選1720 1750 O，保溫 15 30min ；
(4 )、步驟(3 )保溫結束后，立即斷電降溫至1600-1700 V，保溫6_20h;
(5)、步驟(4)保溫結束后，在氫氣氣氛保護下，以10-50°C /h的降溫速率降溫至室溫，出爐，即得一種Nd3+=Lu2O3半透明納米陶瓷。
上述的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷，其晶粒尺寸在300 800nm之間，經阿基米德排水法檢測其致密度達到99. 5%以上，最終所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷呈半透明、不開裂，發(fā)射強度也遠高于氫氣氛1850°C燒結6h所得的普通微米陶瓷。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，由于采用了流動氫氣氛輔助的多步燒結致密化控制技術，因此無需高壓、高溫真空等復雜燒結設備，即在普通的氫氣爐中即可實現納米陶瓷的制備。進一步，本發(fā)明的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，由于制備過程中不受復雜設備爐腔體積限制，可制備大尺寸的半透明納米陶瓷。 進一步，本發(fā)明的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，由于制備過程同現有技術相比，因無需使用的石墨模具，燒結的納米陶瓷樣品不易受石墨滲碳污染，并且也不需高壓輔助，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷塊體致密、均勻，幾無應力，因此最終所得的Nd3+ILu2O3半透明納米陶瓷具有不易開裂等優(yōu)點。


圖I是一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法的升溫曲線的示意 圖2a、實施例I用于制備Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉體的TEM顯微照片；
圖2b、實施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熱腐蝕表面的SEM顯微照片； 圖2c、實施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的AFM顯微照片；
圖2d、實施例2所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的斷口 SEM掃描圖片；
圖2e、實施例3所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熱腐蝕表面的SEM顯微照片；
圖2f、對照實施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷SEM掃描圖片；
圖3a、實施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熒光光譜；
圖3b、對照實施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷的熒光光譜；
圖4a、實施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷退火前的透過率曲線；
圖4b、實施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷退火后的透過率曲線。
具體實施例方式下面通過實施例并結合附圖對本發(fā)明進一步闡述，但并不限制本發(fā)明。本發(fā)明的實施例中所用的氫氣爐為日本NEMS公司生產的FDB-14-19多功能氫氣爐；
真空爐為上海辰榮電爐有限公司制造的ZW-15-20型真空鎢絲電阻爐。本發(fā)明實施例中進行測量所用的儀器
掃描電鏡，型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司；
突光儀，Fluorolog-3型,法國Jobin Yvon公司生產。實施例I
一種Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟
(I )、Nd3+: Lu2O3初始納米粉體通過鋼模單向加壓成型后在200MPa下冷等靜壓壓制成型后置于真空爐中(10_3Pa)800°C預燒a后降至室溫，即得用于燒結Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉體的TEM顯微照片如圖2a所示，從圖2a中可以看出初始的釹離子摻雜氧化镥納米粉體晶粒發(fā)育完整、粒度分布均勻、一次顆粒尺寸約為 30nm ；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣IOmin以排空爐腔中的空氣后，以30°C /min的升溫速率從室溫升溫至1400°C，保溫30min ；
(3)、步驟(2)保溫結束后，以15°C/min的升溫速率從1400°C升溫至1720°C，保溫15min ；
(4)、步驟(3)保溫結束后，斷電降溫至1620°C，流動氫氣氛下保溫18h；
(5)、步驟(4)保溫結束后，以10°C/min的降溫速率冷卻至室溫，出爐，即得Nd3+ = Lu2O3 半透明納米陶瓷。將上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷通過場發(fā)射掃描電鏡(型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司)進行顯微觀察，獲得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熱腐蝕表面的SEM顯微照片如圖2b所示，從圖2b中可以看出所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷表面幾乎看不到氣孔，其晶粒尺寸的范圍在300-600nm之間。將上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷通過原子力顯微鏡(型號SPM_9600)進行觀察，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的AFM顯微照片如圖2c，從圖2c中可以看出該納米陶瓷表面平整，平均晶粒尺寸約為400nm。上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷經阿基米德排水法檢測其致密度達到99. 5%以上。實施例2
一種Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟
(I )、Nd3+: Lu2O3初始納米粉體通過鋼模單向加壓成型后在200MPa下冷等靜壓壓制成型后置于真空爐中(10_3Pa)500°C預燒a后降至室溫，即得用于燒結Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉體的TEM顯微照片如圖2a所示，從圖2a中可以看出初始的釹離子摻雜氧化镥納米粉體晶粒發(fā)育完整、粒度分布均勻、一次顆粒尺寸約為 30nm ；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣IOmin以排空爐腔中的空氣后，以20°C /min的升溫速率從室溫升溫至1600°C，保溫15min ；
(3)、步驟(2)保溫結束后，以10°C/min的升溫速率從im°C升溫至1750°C，保溫30min ；
(4)、步驟(3)保溫結束后，斷電降溫至1700°C，流動氫氣氛下保溫6h;
(5)、步驟(4)保溫結束后，以50°C/min的將溫速率冷卻至室溫，出爐，即得Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷。上述所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的斷口通過場發(fā)射掃描電鏡(型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司)，所得的SEM斷口圖片見圖2d，從圖2d中可以看出晶粒呈沿晶斷裂，所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷燒結體的晶粒比實施例I所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷燒結體的晶粒略大，晶粒尺寸范圍在500-800nm之間。實施例3
一種Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟
(I )、Nd3+: Lu2O3初始納米粉體通過鋼模單向加壓成型后在200MPa下冷等靜壓壓制成型后置于真空爐中(10_3Pa)600°C預燒a后降至室溫，即得用于燒結Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷的素坯；
上述所得的Nd3+ = Lu2O3陶瓷素坯的初始粉體的TEM顯微照片如圖2a所示，從圖2a中可以看出初始的釹離子摻雜氧化镥納米粉體晶粒發(fā)育完整、粒度分布均勻、一次顆粒尺寸約為 30nm ；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣IOmin以排空爐腔中的空氣后，以40°C /min的升溫速率從室溫升溫至1400°C，保溫30min ；
(3)、步驟(2)保溫結束后，以20°C/min的升溫速率從1400°C升溫至1700°C，保溫30min ；
(4)、步驟(3)保溫結束后，斷電降溫至1600°C，流動氫氣氛下保溫20h；
(5)、步驟(4)保溫結束后，以10°C/min的降溫速率冷卻至室溫，出爐，即得Nd3+ = Lu2O3納米陶瓷。將上述所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷通過場發(fā)射掃描電鏡(型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司)進行顯微觀察，獲得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷的熱腐蝕表面的SEM顯微照片如圖2e所示，從圖2e中可以看出所得的Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷表面存在少量微氣孔，平均晶粒尺寸約為300nm，比實施例1、2的晶粒尺寸略小，主要是由于第一步和第二步的燒結溫度較低，晶粒發(fā)育不如實施例1、2的充分。對照實施例I
一種Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷的制備方法，具體包括如下步驟
(I )、Nd3+: Lu2O3初始納米粉體通過鋼模單向加壓成型后在200MPa下冷等靜壓壓制成型后置于真空爐中(10_3Pa) 800°C預燒2h后降至室溫，即得用于燒結Nd3+ = Lu2O3陶瓷的素坯；
(2)、將步驟(I)所得的用于燒結Nd3+= Lu2O3陶瓷的素坯置于流動氫氣爐中，通氫氣IOmin以排空爐腔中的空氣后，以10°C /min的升溫速率從室溫升溫至1850°C，保溫20h ；
(3)、步驟(2)保溫結束后，以50°C/min的將溫速率冷卻至室溫，出爐，即得Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷。上述所得的一種Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷通過場發(fā)射掃描電鏡(型號為JSM-6700F型，日本JEOL公司)進行觀察，其SEM掃描圖片如圖2f所示，從圖2f中可以看出晶粒平均晶粒尺寸在50 μ m左右。由于僅通過一步燒結，且燒結溫度過高(18500C )，保溫時間長(20h)，使得最終所得的陶瓷晶粒發(fā)育和長大充分，因此獲得了 Nd3+ = Lu2O3微米陶瓷。通過熒光光譜儀分別對上述實施例I及對照實施例I所得的一種Nd3+:Lu2O3半透明納米陶瓷和微米陶瓷進行熒光光譜測定，其結果分別見圖3a、圖3b所示，從圖3a、圖3b比較可以看出，在808nm半導體激發(fā)下，納米陶瓷的發(fā)射強度約為微米陶瓷發(fā)射強度的3倍;
通紫外可見分光光度計分別對上述實施例I所得的一種Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷退火前和退火后的透過率進行測定，其結果分別見圖4a、圖4b所示，從圖4a、圖4b比較可以看出，退火后納米陶瓷的透過率有一定提升，在IlOOnm處達到35%。綜上所述，本發(fā)明的一種NcT = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備方法，由于氫氣氣氛和多步燒結技術的結合，因此能夠很容易地實現Nd3+ = Lu2O3納米半透明陶瓷的制備。以上所述內容僅為本發(fā)明構思下的基本說明，而依據本發(fā)明的技術方案所作的任 何等效變換，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種NcT = Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于在常壓、氫氣氣氛中將Nd3+ILu2O3素坯在1400°C -1750°C采用多步燒結后降至室溫即得Nd3+ = Lu2O3半透明納米陶瓷。
2.如權利要求I所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的多步燒結為三步燒結，具體如下 第一步燒結以20-40°C /min的升溫速度至140(Tl60(TC保溫，保溫15 30min ； 第二步燒結以10-20°C /min的升溫速度升溫至1700_1750°C，保溫15 30min ； 第三步燒結控制溫度為160(Tl70(TC，保溫6-20h。
3.如權利要求2所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于第二步燒結溫度為1700 1750°C。
4.如權利要求3所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的多步燒結為三步燒結，具體如下 第一步燒結以4011C /min的升溫速度至140(TC保溫,保溫30min ； 第二步燒結以20°C /min的升溫速度升溫至1720°C，保溫15min ； 第三步燒結控制溫度為1620°C，保溫18h。
5.如權利要求3所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的多步燒結為三步燒結，具體如下 第一步燒結以20°C /min的升溫速度至1600°C保溫,保溫15min ； 第二步燒結以10°C /min的升溫速度升溫至1750°C，保溫30min ； 第三步燒結控制溫度為1700°C，保溫6h。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的燒結氣氛為流動氫氣。
7.如權利要求6所述的一種Nd3+= Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，其特征在于所述的Nd3+ = Lu2O3素坯為真空熱處理過的素坯，真空熱處理溫度為500 800°C保溫2h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Nd3+:Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，即在常壓、氫氣氣氛中將Nd3+:Lu2O3素坯在1400℃-1750℃采用多步燒結后降至室溫即得Nd3+:Lu2O3納米半透明陶瓷。本發(fā)明的一種Nd3+:Lu2O3半透明納米陶瓷的制備方法，由于采用了流動氫氣氛輔助的多步燒結致密化控制技術，因此無需高壓、高溫、真空等復雜燒結設備，即在普通的氫氣爐中即可實現半透明納米陶瓷的制備，且制備的Nd3+:Lu2O3半透明納米陶瓷具有尺寸大、不易開裂等優(yōu)點。
文檔編號C04B35/622GK102807368SQ20121031892
公開日2012年12月5日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權日2012年9月3日
發(fā)明者周鼎, 任玉英, 徐家躍, 金敏, 儲耀卿 申請人:上海應用技術學院