高光学性能的荧光透明陶瓷的制备方法

技术领域

本申请涉及一种透明陶瓷，特别是涉及一种高光学性能的荧光透明陶瓷的制备方法。

背景技术

荧光透明陶瓷是一种基于先进透明陶瓷烧结技术的新型荧光转换材料。通过陶瓷基质筛选、不同稀土掺杂、晶体场环境调控、能量传递过程控制和精细化结构设计，使其具备色温可调、抗热冲击、发光温度、发光效率高及寿命长等优势。

在实现本申请过程中，申请人发现目前高光学性能的荧光透明陶瓷大都是通过提拉法长晶得到的Ce-YAG单晶，该方法制备的掺铈钇铝石榴石单晶不管从外观还是光学测试数据上都有着优异的性能，但提拉法长晶的生长周期过长且受设备的限制，生长的单晶外形尺寸难以突破120mm的局限，在某些特殊应用领域造成价格昂贵，供货难以为继的现象。

发明内容

为解决上现有技术方案所存在的技术问题，本申请实施例提供一种高光学性能的荧光透明陶瓷的制备方法。具体的技术方案如下：

第一方面，提供一种高光学性能的荧光透明陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：(a)对氧化钇、氧化铝和氧化铈的金属氧化物粉体煅烧，去除有机物及水分；(b)将煅烧后的金属氧化物粉体及碳酸钙粉、四乙氧基硅烷放入球磨罐中，同时加入球磨介质，进行球磨，得到浆料；(c)对浆料进行干燥处理，并将干燥后的粉体碾碎，过筛后，得到分散均匀的粉体，再次进行煅烧，冷却之后再次过筛，得到最终粉体；(d)将最终粉体加入模具内，干压成型之后，再冷等静压，得到素坯；(e)先预烧素坯，然后再在真空低温下烧结素坯，最后热等静压烧结之后，冷却至室温；(f)对烧结后的素坯进行退火、加工，得到荧光透明陶瓷。

在第一方面的第一种可能实现方式中，氧化钇、氧化铝和氧化铈的颗粒度分别为0.5-1.0μm，纯度分别大于等于99.9％，荧光陶瓷的化学式组成为(Y

在第一方面的第二种可能实现方式中，在步骤(a)中，使用马弗炉对氧化钇、氧化铝和氧化铈的金属氧化物粉体煅烧。

在第一方面的第三种可能实现方式中，在步骤(b)中，球磨介质加入球磨罐后，球磨罐中的固含量控制在45％，使用氧化铝球在行星式球磨上球磨，球磨时间为14-15小时。

在第一方面的第四种可能实现方式中，在步骤(b)中，球磨介质使用无水乙醇。

在第一方面的第五种可能实现方式中，在步骤(c)中，浆料在50℃下干燥24小时，粉体在600℃下煅烧3小时，

在第一方面的第六种可能实现方式中，在步骤(d)中，干压成型的压力为15MPa；冷等静压的压力为150-200MPa，保压时间为0.5-5min。

在第一方面的第七种可能实现方式中，在步骤(e)中，素坯的预烧温度为1000℃，时间为8小时，升温和降温速率为2℃/min。

在第一方面的第八种可能实现方式中，在步骤(e)中，素坯在真空度5*10-3Pa下，以5℃/min的速率升温至1300℃，保温60min，再以2℃/min的速率升温至1650℃，保温6小时，然后以5-10℃/min的速率降温至150℃，随炉冷却，得到预烧体，转移预烧体至热等静压炉中，氮气气体压力160-200MPa，10℃/min的速率升温至1700℃，保温3h，不泄压的状态下降温至室温，得到烧结完成的荧光陶瓷样片。

结合第一方面的第八种可能实现方式，在第一方面的第九种可能实现方式中，在退火、加工时，将荧光陶瓷样片在放置于1450℃下退火10h，消除应力和氧空位，然后对陶瓷片双面铣磨，抛光，得到荧光透明陶瓷片。

本申请与现有技术相比具有的优点有：

本申请的掺铈钇铝石榴石透明陶瓷制备方法，通过对陶瓷材料中组成成分以及各成分含量的调控，且真空预烧后进行密度测量，通过致密化程度，第一轮筛选出不合格制品后舍弃，真空烧结结合热等静压烧结后的陶瓷样片内部无气孔，比一步真空烧结的陶瓷外观优异，得到了一种光学质量优异的荧光透明陶瓷，陶瓷密度接近理论值4.55g/cm3，无气孔、杂质及第二相存在，在可见光范围的直线透过率高于74％。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请一实施例的掺铈钇铝石榴石透明陶瓷制备方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

请参阅图1，其是本申请一实施例的掺铈钇铝石榴石透明陶瓷制备方法的步骤流程示意图。如图所示，本实施例的掺铈钇铝石榴石透明陶瓷制备方法1是制备0.1at％Ce掺杂的荧光透明陶瓷。高光学性能的荧光透明陶瓷的制备方法1包括以下步骤101至步骤106，其中：

步骤101，原料处理。对氧化钇、氧化铝和氧化铈的金属氧化物粉体煅烧，去除有机物及水分。具体的，利用马弗炉对氧化钇、氧化铝和氧化铈粉体煅烧备用。

步骤102，制备浆料。将煅烧后的金属氧化物粉体及碳酸钙粉、四乙氧基硅烷放入球磨罐中，同时加入球磨介质，固含量控制在45％，进行球磨，得到浆料。具体的，将氧化钇粉338.379g,氧化铝254.9g，氧化铈0.516g，碳酸钙0.593g，四乙氧基硅烷950*4μl，无水乙醇918ml，高纯氧化铝研磨球3000g、一同加入球磨罐内，球磨机转速120r/min，球磨时间15h，得到分散均匀的浆料。

步骤103，煅烧浆料。对浆料进行干燥处理，并将干燥后的粉体碾碎，过筛后，得到分散均匀的粉体，再次进行煅烧，冷却之后再次过筛，得到最终粉体。具体的，将浆料放置于50℃环境下干燥24h，干燥后的粉体利用研磨钵碾碎，过筛100目网筛两遍，得到分散均匀的粉体，粉体再用马弗炉煅烧600℃，3h，完全冷却后再次过筛100目网筛一遍，得到最终粉体。

步骤104，制备素坯。将最终粉体加入模具内，干压成型之后，再冷等静压，得到素坯。具体的，将最终粉体在压力为15MPa下干压成型，之后在压力为150-200MPa冷等静压，保压时间为0.5-5min，制得素坯。

步骤105，烧结素坯。先预烧素坯，然后再在真空低温下烧结素坯，最后热等静压烧结之后，冷却至室温。具体的，将素坯置于空气气氛高温炉内用1000℃预烧8h，升温和降温速率为2℃/min，完全冷却后，转移素坯至真空钨网炉内进行真空预烧，先以5℃/min的速率升温至1300℃，保温60min，再以2℃/min的速率升温至1650℃，保温6h，然后以5-10℃/min的速率降温至150℃，随炉冷却，得到预烧体，测试预烧体炉样块的密度后，转移预烧体至热等静压炉中，氮气气体压力200MPa，10℃/min的速率升温至1700℃，保温3h，不泄压的状态下降温至室温，得到烧结完成的荧光陶瓷样片。

步骤106，退火、加工处理。对烧结后的素坯进行退火、加工，得到荧光透明陶瓷。具体的，将荧光陶瓷样片在放置于1450℃下退火10h，消除应力和氧空位，然后对陶瓷片双面铣磨，抛光，得到最终的Ce：YAG透明陶瓷。

测试Ce：YAG透明陶瓷的性能如下：

该Ce：YAG陶瓷预烧后的致密化程度达到99.5％，成品的密度达到了理论值4.55g/cm3，可见光透过率高达79％,光学转化率51％，尺寸达到φ100*5mm，光效320lm/w。

实施例2

请参阅图1，其是本申请一实施例的掺铈钇铝石榴石透明陶瓷制备方法的步骤流程示意图。如图所示，本实施例的掺铈钇铝石榴石透明陶瓷制备方法1是制备0.1at％Ce掺杂的荧光透明陶瓷。高光学性能的荧光透明陶瓷的制备方法1包括以下步骤101至步骤106，其中：

步骤101，原料处理。对氧化钇、氧化铝和氧化铈的金属氧化物粉体煅烧，去除有机物及水分。具体的，利用马弗炉对氧化钇、氧化铝和氧化铈粉体煅烧备用。

步骤102，制备浆料。将煅烧后的金属氧化物粉体及碳酸钙粉、四乙氧基硅烷放入球磨罐中，同时加入球磨介质，固含量控制在45％，进行球磨，得到浆料。具体的，将氧化钇粉338.717g,氧化铝254.9g，氧化铈0.516g，碳酸钙0.593g，四乙氧基硅烷888*5μl，无水乙醇918ml，高纯氧化铝研磨球3000g、一同加入球磨罐内，球磨机转速120r/min，球磨时间15h，得到分散均匀的浆料。

步骤103，煅烧浆料。对浆料进行干燥处理，并将干燥后的粉体碾碎，过筛后，得到分散均匀的粉体，再次进行煅烧，冷却之后再次过筛，得到最终粉体。具体的，将浆料放置于50℃环境下干燥24h，干燥后的粉体利用研磨钵碾碎，过筛100目网筛两遍，得到分散均匀的粉体，粉体再用马弗炉煅烧600℃，3h，完全冷却后再次过筛100目网筛一遍，得到最终粉体。

步骤104，制备素坯。将最终粉体加入模具内，干压成型之后，再冷等静压，得到素坯。具体的，将最终粉体在压力为15MPa下干压成型，之后在压力为150-200MPa冷等静压，保压时间为0.5-5min，制得素坯。

步骤105，烧结素坯。先预烧素坯，然后再在真空低温下烧结素坯，最后热等静压烧结之后，冷却至室温。具体的，将素坯置于空气气氛高温炉内用1000℃预烧8h，升温和降温速率为2℃/min，完全冷却后，转移素坯至真空钨网炉内进行真空预烧，先以5℃/min的速率升温至1300℃，保温60min，再以2℃/min的速率升温至1650℃，保温6h，然后以5-10℃/min的速率降温至150℃，随炉冷却，得到预烧体，测试预烧体炉样块的密度后，转移预烧体至热等静压炉中，氮气气体压力200MPa，10℃/min的速率升温至1700℃，保温3h，不泄压的状态下降温至室温，得到烧结完成的荧光陶瓷样片。

步骤106，退火、加工处理。对烧结后的素坯进行退火、加工，得到荧光透明陶瓷。具体的，将荧光陶瓷样片在放置于1450℃下退火10h，消除应力和氧空位，然后对陶瓷片双面铣磨，抛光，得到最终的Ce：YAG透明陶瓷。

测试Ce：YAG透明陶瓷的性能如下：

该Ce：YAG陶瓷预烧后的致密化程度达到99.7，成品的密度达到了理论值4.55g/cm3，可见光透过率高达78,光学转化率50，尺寸达到φ100*5mm，光效320lm/w。本实施例的Ce：YAG陶瓷配方中的氧化钇用量相较于实施例1中的氧化钇用量增加了0.1wt％，且四乙氧基硅烷的用量提升至了0.7wt％，仍得到了无气孔光学优异的荧光透明陶瓷。

需要说明的是，实施例1与实施例2中得到荧光陶瓷的化学式组成为(Y

综上所述，本申请提供了一种掺铈钇铝石榴石透明陶瓷制备方法，通过对陶瓷材料中组成成分以及各成分含量的调控，且真空预烧后进行密度测量，通过致密化程度，第一轮筛选出不合格制品后舍弃，真空烧结结合热等静压烧结后的陶瓷样片内部无气孔，比一步真空烧结的陶瓷外观优异，得到了一种光学质量优异的荧光透明陶瓷，陶瓷密度接近理论值4.55g/cm3，无气孔、杂质及第二相存在，在可见光范围的直线透过率高于74％。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。