摻Ce³⁺的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其製備方法

2023-08-10 22:31:06 1

專利名稱：摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其製備方法，屬特種稀土 透明閃爍陶瓷材料製造工藝技術領域。
技術背景某些物質在射線(X-射線，Y-射線)或高能粒子的作用下會發出紫外或可見光， 這種現象稱作閃爍效應。具有閃爍效應的晶體稱為閃爍晶體。無機閃爍晶體與傳統閃 爍材料相比具有密度高，體積小，物理性質和閃爍性能優良等特點，已經成為高能茅立 子探測的首選材料。將閃爍晶體與光電倍增管或光電二極體耦合製成的晶體閃爍計數 器是高能物理，核物理和核醫學中的一個重要探測儀器。利用螢光物質的閃爍現象來探測核輻射開始於上個世紀初，由於光電倍增管的出 現和電子學儀器的發展，到40年代末才得到迅速的發展。1948年，Hoftadter發王見 NaI:Tl具有優良的閃爍特性，並很快被廣泛應用於X-射線和Y-射線的探測技術中。隨著核探測技術在醫學，物理，化學，地質勘探等科學和技術領域中的發展，一 系列無機閃爍晶體，如Bi4GeA"BG0)' CdW0"CW0), CsI:Tl, Csl等相繼問世，並在 這些領域中得到了廣泛應用。閃爍材料的性能主要包括密度，閃爍性能，抗輻照性能等。閃爍性能分為穩定態 和動態兩類。穩定態性能主要指在常溫下測定的透射，發射和激發光譜，是應用上最 為關心的性能。與時間相關的性能主要有閃爍衰減時間和光產額等。通常要求閃爍晶 體對入射輻照具有大的吸收係數，例如對斷層掃描技術來說，採用吸收係數大的材料 製造探測器，不僅可使探測器尺寸緊湊，而且能改善其空間解析度。空間解析度對核 物理和高能物理實驗用的探測器特別重要。同時希望閃爍晶體有短的輻射長度，輻射 長度與吸收係數呈反比，吸收係數越大，輻射長度越短。同時有效原子序數越高，密 度越大，晶體輻射長度越短。由於電磁量能器用閃爍晶體的長度一般為20X。 (X。為輻 射長度)，所以使用輻射長度小的晶體有利於縮小探測器的體積；另一方面，輻射長 度越長，所需材料越長，難於保證材料的均勻性。為了減少探測器的體積和造價，人 們希望探測器的體積越緊湊越好，因此要求閃爍晶體對射線的阻止能力要儘可能地 強，具體表現為晶體的吸收係數大，輻射長度短等。根據發光原理，無機閃爍晶體可粗略地分為本徵晶體和摻雜的非本徵晶體。許多 純的晶體在常溫下並不是十分有效的閃爍體，為了得到有使用價值的閃爍體，通常採 用往純晶體中摻入少量雜質(如Tl， Ce， Eu)等的方法來使晶體發光。這些摻入的 雜質稱為激活劑。目前摻Ce3+的閃爍材料主要是含稀土氧化物的化合物，如YA103(YAP)， Y3Al5(L(YAG)或Lu3Als(X2(LuAG)等，Ce3+在一些倍半氧化物Re203(Re=Y， Lu， La， Gd等) 中的發光出現猝滅，即沒有發光。Ce3+在所有上述化合物中都是取代稀土離子 Re3+(Re=Y， Lu， La， Gd等)的位置。但由於稀土離子Re3+( Re=Y， Lu, Gd等)的離子半 徑(Y3+離子半徑89.6pm; Lu"離子半徑86. lpm; GcT離子半徑93. 8pm)與Ce"的離子 半徑101. Opm相差較大，Ce3+很難摻入上述化合物中，造成該類閃爍材料的吸收係數大 幅下降，影響其應用。和單晶相比，透明陶瓷具有如下優點製備工藝簡單、成本ffi^、 能夠製備大尺寸的產品且形狀自由度大，目前已經開始用透明閃爍陶瓷材料來取代部 分閃爍晶體材料。但在摻Ce"的倍半氧化物Re203(Re=Y, Lu, Gd， La等)中由於發光出現L 猝滅，無法成為閃爍材料，或在含稀土氧化物的化合物，如YAG或LuAG等透明閃爍 陶瓷中，存在由於Ce3+離子半徑與Re3+離子半徑相差較大的問題，C,離子難於摻入上 述化合物中，影響閃爍性能。氧化鑭釔(Y2-2xLa2x03)透明陶瓷材料是￥203與1^203的單相固溶體，其中La》的離 子半徑為103. 2pm與Ce3+的離子半徑101. Opm很接近，因此Ce3+能夠很容易摻入氧化 鑭釔(Y2-2xLa2x03)透明陶瓷材料中(Ce"取代L^的格位)，並可以實現高摻雜，有利 於提高Ce: 丫2-2上&03閃爍透明陶瓷的吸收係數，同時發現Ce3+在氧化鑭釔(Y2-2lLa2x03) 透明陶瓷中可探測到Ce"發光，使其成為一種高效的閃爍透明陶瓷材料。 發明內容本發明的目的在於克服"3+在倍半氧化物Re203 (Re=Y， Lu, La, Gd等)&3+發光猝滅 現象，以及在含稀土氧化物的化合物，如YAP, YAG或LuAG等中無法實現高摻雜的缺 點。特提出一種摻Ce"的氧化鑭釔Y2-2"2A的透明閃爍陶瓷材料的製備方法。本發明是一種摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料的製備方法，其特徵在於具有 以下的工藝過程和步驟a. 採用商業高純的99. 99%的YA、 99. 95%的LaA和99. 99%的Ce02為原料，或採用 納米粉體為原料，三者的質量配比按化學分子式Y2-2x-2yLa2xCe2y03，式中的x=0. 05_0. 20， y=0.005-0. 05;b. 將上述配合料加入蒸餾水，放置於球磨機內，進行混合研磨，球磨時間為24小 時；隨後出料，在150'C溫度下烘乾；c. 然後放置於煅燒爐中於1000 130(TC溫度下預燒5小時；再放入球磨機中球磨d. 經150'C溫度烘乾後，加入5wty。的PVA聚乙烯醇粘結劑進行造粒；然後將粉粒在 200MPa的冷等靜壓下壓製成塊片，即為壓坯；e. 然後在800'C溫度下於空氣中燒掉PVA粘結劑；最後將所述的壓制塊片即壓坯放 入鉬絲爐中，在還原氣氛下於1350 1800。C進行燒結，燒結時間為3-30小時，最終 獲得緻密透明的Ce:Y2-2,La2,03aP Y2-2x-2yLa2xCe2y03)透明閃爍陶瓷材料。
具體實施方式
現將本發明的具體實施例敘述於後。實施例一本實施例的具體工藝過程和步驟如下1. 採用市售高純的99. 99%的Y203、 99. 95%的LaA和99. 99%的Ce02為原料，三 者的質量配比按化學分子式Y^-2,Laj:e2y03為依據，式中的xi. 1， y=0.005;各成分 的摩爾含量為Ce02 0. Olmol， La203 0. lOmol， Y203 0. 895mol。2. 將上述配合料加入蒸餾水，放置於球磨機內，進行混合研磨，球磨時間為24 小時，；出料後，在150'C溫度下烘乾；3. 然後放置於煅燒爐中於IIO(TC溫度下預燒5小時，再放入球磨機中球磨24 小時；4. 經150'C溫度烘乾後，加入5wt。/。的PVA粘結劑進行造粒;然後將粉粒在200MPa 的冷等靜壓下壓製成塊片；5. 然後在80(TC溫度下於空氣中燒掉PVA粘結劑；最後放入鉬絲爐中在還原氣 氛下於150(TC進行燒結，燒結時間為10小時，最終獲得緻密透明的Ce:Y2—2丄a2A(即 Y2奮2yLa2,Ce2A)閃爍陶瓷。實施例二本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是Y2-2^L&Ce2y03式 中的x=0. 1 ， y=0. 01;各成分的摩爾含量為Ce02 0. 02mol ， La203 0. lmol ， Y203 0 . 89mol; 燒結溫度為1500°C;燒結時間為10小時；最終獲得緻密透明的Ce:Y2-2xLa2x03^P Y2—2一La2xCe2A)閃爍陶瓷。 實施例三本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是Y^-2yLa2,Ce2y03式 中的x=0. 1， y=0. 02;各成分的摩爾含量為Ce02 0. 04mol， La203 0. lmol， Y203 0 . 88mol; 燒煉結溫度為1500°C;燒結時間為10小時；最終獲得緻密透明的Ce:Y2-2xLa2x03(W Y2會2yLa2,Ce2A)閃爍陶瓷。
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是YwLa^Ce2y03式 中的x=0. 1， y=0. 05;各成分的摩爾含量為Ce02 0. lOmol， La203 0. lmol， Y203 0.85mol; 燒結溫度為1500°C;燒結時間為10小時；最終獲得緻密透明的Ce:Y^La2x03(gp Y2—2x-2,LahCe2A)雷射陶瓷。實施例五本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是Y2-2x-2yLa^e2A式 中的x=0. 15， y=0. 01;各成分的摩爾含量為Ce02 0. 02mol ， La203 0. 15mol ， Y203 0. 84mol; 燒結溫度為1400°C;燒結時間為10小時；最終獲得緻密透明的Ce:Y2-2xLa2x03UP Y2會2yLa2xCe2A)雷射陶瓷。 實施例六本實施例的工藝步驟與上述實施例l完全相同，所不同的是Y2—2x—2山&(:%03式 中的x=0. 05， y=0. 01;各成分的摩爾含量為Ce02 0. 02mol ， La203 0. 05mol ， Y203 0 . 94mol; 燒結溫度為1600°C;燒結時間為10小時；最終獲得緻密透明的Ce:Y2-2xLa2x03UP Y2-MyLa2,Ce2A)閃爍陶瓷。由上述實例製備的Ce:Y2-2xLa2x03WP Y2—2l[-2yLa2xCe2y03)閃爍陶瓷均勻透明，實現了 C離 子在氧化鑭釔￥2-2上&03中的均勻以及高摻雜。對Y2-2^La^Ce2A透明多晶體作光譜性 能檢測，其吸收光譜顯示出Ce3+的特徵吸收峰，同時測到了 C,在280 650nm寬的熒 光發射帶，位於300nm, 416nm, 470nm和566nm處有尖銳的螢光發射峰。
權利要求
1.一種摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其製備方法，其特徵在於具有以下的工藝過程和步驟a.採用商業高純的99.99％的Y2O3、99.95％的La2O3和99.99％的CeO2為原料或採用納米粉體為原料，三者的質量配比按化學分子式Y2-2x-2yLa2xCe2yO3，式中的x＝0.01-0.20，y＝0.005-0.05；b.將上述配合料加入蒸餾水，放置於球磨機內，進行混合研磨，球磨時間為24小時；隨後出料，在150℃溫度下烘乾；c.然後放置於煅燒爐中於1000～1300℃溫度下預燒5小時；再放入球磨機中球磨24小時；d.經150℃溫度烘乾後，加入5wt％的PVA聚乙烯醇粘結劑進行造粒；然後將粉粒在200MPa的冷等靜壓下壓製成塊片，即為壓坯；e.然後在800℃溫度下於空氣中燒掉PVA粘結劑；最後將所述的壓制塊片即壓坯放入鉬絲爐中，在還原氣氛下於1350～1800℃進行燒結，燒結時間為3-30小時，最終獲得緻密透明的Ce:Y2-2xLa2xO3(即Y2-2x-2yLa2xCe2yO3)透明閃爍陶瓷。
全文摘要
本發明涉及一種摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料及其製備方法，屬特種稀土透明閃爍陶瓷材料製造工藝技術領域。本發明方法採用高純度的Y2O3、La2O3和CeO2為原料(也可採用納米粉體為原料)，三者的質量配比按化學分子式Y2-2x-2yLa2xCe2yO3，式中的x＝0.05-0.20，y＝0.005-0.05；將上述配合料加入適量蒸餾水，放入球磨機內研磨24小時；隨後乾燥，再放置於煅燒爐中於1000～1300℃溫度下預燒5小時，再放入球磨機中球磨24小時，然後加入5wt％的PVA聚乙烯醇粘結劑進行造粒，將粉粒在200MPa的冷等靜壓下壓製成壓坯，然後在還原氣氛下於1350～1800℃下燒結3-30小時，最終獲得摻Ce3+的氧化鑭釔透明閃爍陶瓷材料。
文檔編號C04B35/50GK101148356SQ200710045910
公開日2008年3月26日 申請日期2007年9月13日 優先權日2007年9月13日
發明者軍 徐, 楊秋紅 申請人:上海大學