一種摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法

2023-05-09 07:38:41 3

專利名稱：一種摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法
技術領域：
本發明屬於雷射陶瓷材料製備工藝，特別涉及一種摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的 冷凍成型方法。
背景技術：
由於陶瓷雷射介質製備溫度低，成本低，可以製造大尺寸產品，可實現高摻雜濃度， 耗時少，可大批量生產，所以引起了國內外科研工作者的廣泛重視。成型工藝在整個陶 瓷材料的製備過程中起著承上啟下的作用，是保證陶瓷材料及部件的可靠性、成品率及 可重複性的關鍵，與工業化和規模化生產直接相關。成型方法對陶瓷坯體的質量和燒結 體的顯微組織結構有非常大的影響。
目前，對於釔鋁石榴石透明陶瓷的成型方法，主要有以下幾種(1)幹壓成型將 過篩後的納米粉體用鋼模在不同的壓強下壓製成圓片，得到素坯。在這個基礎之上，添 加了等靜壓的成型方式，即先將納米粉體用鋼模在50MPa的壓強下壓製成圓片，然後
冷等靜壓(200MPa)得到素坯。這種混合的成型方式對減少密閉氣孔有一定的效果，中 國科學院上海矽酸鹽研究所已經採用這種混合的方式得到了透明陶瓷。但這種方法容易 形成封閉氣孔，在後序的燒結過程中，氣孔不利於消除，從而影響了透明陶瓷的光學質
量。(2)注漿成型這種方法是傳統陶瓷製備的常見方法。注漿成型主要依靠毛細管力
作用脫除溶劑，形成連通氣孔。在真空燒結的過程中，氣孔容易排出，容易得到透明的 雷射陶瓷。日本已經採用注槳成型的方法製備出光學質量均勻的透明雷射陶瓷，然而注 漿成型的詳細過程沒有描述。在注漿成型的過程中，如何得到均勻穩定且流動性好的料 漿就顯得尤為重要，這方面的專利及文獻報導非常少。在傳統的注漿成型的基礎之上，
俄羅斯的科學家(Y. L.Kopylov et al., Opt. Mater. (2008))採用一種改進的注漿成型 的方法——高壓注漿成型(HPCSC)製備了透明的雷射陶瓷。但是這種壓力注漿成型的方 式設備複雜，操作程序繁瑣。所有涉及多孔模型的注漿成型的方法都涉及部分水份自料 漿與多孔磨具的接觸面排除過程，由於水份排除過程僅發生在接觸面，使得成型後的坯 體密度不均勻，容易使成型製品在燒結過程中因燒結收縮不一致，導致陶瓷的變形，並 且，由於坯體與石膏模接觸的部分密度較高，高溫時容易燒結，影響陶瓷內部氣孔的排 除，從而導致陶瓷透明度下降。同時，由於石膏模具中可溶性的鹽類(鈣鹽，鉀鹽，鈉 鹽)遷移到模具的表面形成表面層，會導致陶瓷局部相組成的變化和光學與雷射性能的 下降。

發明內容
針對現有技術存在的問題和缺陷，本發明提供了一種摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷 的冷凍成型方法，採用冷凍注漿成型製備工藝，使得製備的摻釹YAG坯體不會產生封閉 的氣孔，該方法易於近淨成型，即該方法能製造具有外形與目的成型體形狀相近似的成 型體。
3一種摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法，步驟如下 (1)選用摻雜釹的釔鋁石榴石(Nd:YAG)粉末作原料；將原料粉末和有機分散劑加 入到水和丙三醇的混合溶液中靜置，靜置時間為12-24h，然後將其球磨混合後形成漿料， 球磨時間為3-10h.;
其中有機分散劑的加量為原料粉末質量的1.0 1.5wt.%;原料粉末的加量為各成分
總質量的60~65 wt.%;在水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的質量比為9:1-12:1。
(2)將步驟(1)製備的漿料進行超聲震動，震動時間為5 8min，用氨水將漿料的 pH值調整為8 10，然後倒入模具中，冷凍8 12h，再經過真空乾燥24-36小時，去模後
製得摻釹YAG的成型坯體。
所述步驟(1)中的摻雜釹的釔鋁石榴石通式為NdxY3—XA15012 ，其中，0< x《0.5。 所述步驟(1)中的有機分散劑優選為聚丙烯酸(PAA)。 所述步驟(2)中使用的模具材料為聚四氟乙烯。 所述步驟(2)真空乾燥過程中的真空度為50~80 Pa。 所述步驟(2)中的冷凍溫度優選為-40 -50T。
本發明所用的摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)粉料可用中國專利文件CN101311373 "—種 合成YAG單晶納米粉末的方法"製備。
本發明提供的摻雜釹的釔鋁石榴石透明陶瓷的成型方法，通過採用Nd:YAG粉料，加 入一定數量的聚丙烯酸分散劑，同時採用丙三醇和水為溶劑，丙三醇被認為能夠改善料 漿的熱轉移，從而形成均勻的陶瓷體微結構。採用冷凍乾燥的方式，冷凍乾燥的主要原 理是水通過升華的方法從固體中分離，從而避免了由於毛細管力引起的硬團聚和破裂。
採用冷凍乾燥方法製備的坯體，消除了幹壓坯體中的封閉氣孔，同時，又避免了多 孔模型注漿帶來的坯體不均勻現象，更重要的是，解決了坯體與石膏磨具或金屬磨具接 觸帶來的汙染，可以提高成型坯體的質量，並克服其它成型方法引起的陶瓷質量問題。 採用冷凍注漿的方法製備的陶瓷坯體為以後的透明陶瓷的製備奠定了堅實的基礎。


圖l為採用本發明方法實施例1製備的摻雜釹的釔鋁石榴石陶瓷坯體的照片。
圖2為採用本發明方法實施例1製備的摻雜釹的釔鋁石榴石陶瓷坯體的顯微結構照片。
具體實施例方式
以下實施例是對本發明的進一步說明，但不限於此。
實施例1: 一種摻雜釹的釔鋁石榴石陶瓷坯體的成型方法，包括如下步驟
(1) 將20gNd:YAG粉料，放入到10.5ml水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的 質量比為9: 1，加入聚丙烯酸分散劑的量為粉料質量的1.5wt.%,原料粉末佔各成分(水 和丙三醇的混合溶液、有機分散劑、原料粉末加量之和)總質量的65 wt /。，靜置24h，放 入行星球磨機中球磨6h;
(2) 將球磨後的漿料倒出後，超聲震動5min，並用氨水調節漿料的pH為8，將漿 料倒入到聚四氟乙烯模具中，在-50"C冷凍10h，真空乾燥24h後去模。步驟(2)真空乾燥過程中的真空度為50 Pa。 實施例2:
(1) 將15g Nd:YAG粉料，放入到8.2ml水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的 質量比為10.5: 1，加入聚丙烯酸分散劑的量為粉料質量的1.4 wt.%,原料粉末佔各成分 總質量的64wt。/。，靜置24h，放入行星球磨機中球磨10h;
(2) 將球磨後的槳料倒出後，超聲震動5min，並用氨水調節漿料的pH為9，將漿 料倒入到聚四氟乙烯模具中，在-40"C冷凍8h，真空乾燥30h後去模。
步驟(2)真空乾燥過程中的真空度為60 Pa。 實施例3:
(1) 將30gNd:YAG粉料，放入到17.2ml水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的 質量比為12: 1，加入聚丙烯酸分散劑的量為粉料質量的1.3 wt.%，原料粉末佔各成分總 質量的63 wt%，靜置24h，放入行星球磨機中球磨lOh;
(2) 將球磨後的漿料倒出後，超聲震動5min，並用氨水調節漿料的pH為10，將 漿料倒入到聚四氟乙烯模具中，在-5(TC冷凍12h，真空乾燥36h後去模。
所述步驟(2)真空乾燥過程中的真空度為80 Pa。
權利要求
1. 一種摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法，其特徵在於步驟如下(1)選用摻雜釹的釔鋁石榴石粉末作原料；將原料粉末和有機分散劑加入到水和丙三醇的混合溶液中靜置，靜置時間為12-24h，然後將其球磨混合後形成漿料，球磨時間為3-10h；其中有機分散劑的加量為原料粉末質量的1.0～1.5wt.％；原料粉末的質量為各成分總質量的60～65wt.％；(2)將步驟(1)製備的漿料進行超聲震動，震動時間為5～8min，用氨水將漿料的pH值調整為8～10，然後倒入模具中，冷凍8～12h，再經過真空乾燥24-36小時，去模後製得摻釹YAG的成型坯體。
2. 如權利要求1所述的摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法，其特徵在於 所述步驟(1)中的有機分散劑優選為聚丙烯酸。
3. 如權利要求1所述的摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法，其特徵在於 步驟(1)所述的水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的質量比為9:1-12:1。
4. 如權利要求1所述的摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法，其特徵在於 所述步驟(2)中使用的模具材料為聚四氟乙烯。
5. 如權利要求l所述的摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法，其特徵在於 所述步驟(2)真空乾燥過程中的真空度為50 80 Pa。
6. 如權利要求l所述的摻釹釔鋁石榴石透明雷射陶瓷的冷凍成型方法，其特徵在於 所述步驟(2)中的冷凍溫度優選為-40 -5(TC。
全文摘要
本發明涉及一種摻釹釔鋁石榴石透明陶瓷的冷凍成型方法。選用摻雜釹的釔鋁石榴石Nd:YAG粉末作原料；將原料粉末和有機分散劑加入到水和丙三醇的混合溶液中靜置，然後球磨，超聲震動，用氨水將漿料的pH值調整為8～10，然後倒入模具中，冷凍8～12h，真空乾燥，去模後製得摻釹YAG的成型坯體。本發明製備的陶瓷坯體具有高固含量，連通氣孔，並且陶瓷坯體密度均勻，在後序的煅燒和加工的過程中不易產生變形。
文檔編號B28C1/06GK101429018SQ200810237970
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月4日 優先權日2008年12月4日
發明者宏 劉, 鐸 劉, 劉樹江, 呂耀輝, 張曉林, 桑元華, 王繼揚 申請人:山東大學