專(zhuān)利名稱(chēng)：一種摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷的冷凍成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光陶瓷材料制備工藝，特別涉及一種摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷的 冷凍成型方法。
背景技術(shù)：
由于陶瓷激光介質(zhì)制備溫度低，成本低，可以制造大尺寸產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)高摻雜濃度， 耗時(shí)少，可大批量生產(chǎn)，所以引起了國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛重視。成型工藝在整個(gè)陶 瓷材料的制備過(guò)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 可重復(fù)性的關(guān)鍵，與工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)直接相關(guān)。成型方法對(duì)陶瓷坯體的質(zhì)量和燒結(jié) 體的顯微組織結(jié)構(gòu)有非常大的影響。
目前，對(duì)于釔鋁石榴石透明陶瓷的成型方法，主要有以下幾種(1)干壓成型將 過(guò)篩后的納米粉體用鋼模在不同的壓強(qiáng)下壓制成圓片，得到素坯。在這個(gè)基礎(chǔ)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(qiáng)下壓制成圓片，然后
冷等靜壓(200MPa)得到素坯。這種混合的成型方式對(duì)減少密閉氣孔有一定的效果，中 國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所已經(jīng)采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，在后序的燒結(jié)過(guò)程中，氣孔不利于消除，從而影響了透明陶瓷的光學(xué)質(zhì)
量。(2)注漿成型這種方法是傳統(tǒng)陶瓷制備的常見(jiàn)方法。注漿成型主要依靠毛細(xì)管力
作用脫除溶劑，形成連通氣孔。在真空燒結(jié)的過(guò)程中，氣孔容易排出，容易得到透明的 激光陶瓷。日本已經(jīng)采用注槳成型的方法制備出光學(xué)質(zhì)量均勻的透明激光陶瓷，然而注 漿成型的詳細(xì)過(guò)程沒(méi)有描述。在注漿成型的過(guò)程中，如何得到均勻穩(wěn)定且流動(dòng)性好的料 漿就顯得尤為重要，這方面的專(zhuān)利及文獻(xiàn)報(bào)道非常少。在傳統(tǒng)的注漿成型的基礎(chǔ)之上，
俄羅斯的科學(xué)家(Y. L.Kopylov et al., Opt. Mater. (2008))采用一種改進(jìn)的注漿成型 的方法——高壓注漿成型(HPCSC)制備了透明的激光陶瓷。但是這種壓力注漿成型的方 式設(shè)備復(fù)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(guò)程，由于水份排除過(guò)程僅發(fā)生在接觸面，使得成型后的坯 體密度不均勻，容易使成型制品在燒結(jié)過(guò)程中因燒結(jié)收縮不一致，導(dǎo)致陶瓷的變形，并 且，由于坯體與石膏模接觸的部分密度較高，高溫時(shí)容易燒結(jié)，影響陶瓷內(nèi)部氣孔的排 除，從而導(dǎo)致陶瓷透明度下降。同時(shí)，由于石膏模具中可溶性的鹽類(lèi)(鈣鹽，鉀鹽，鈉 鹽)遷移到模具的表面形成表面層，會(huì)導(dǎo)致陶瓷局部相組成的變化和光學(xué)與激光性能的 下降。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和缺陷，本發(fā)明提供了一種摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷 的冷凍成型方法，采用冷凍注漿成型制備工藝，使得制備的摻釹YAG坯體不會(huì)產(chǎn)生封閉 的氣孔，該方法易于近凈成型，即該方法能制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激光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(jī)分散劑加 入到水和丙三醇的混合溶液中靜置，靜置時(shí)間為12-24h，然后將其球磨混合后形成漿料， 球磨時(shí)間為3-10h.;
其中有機(jī)分散劑的加量為原料粉末質(zhì)量的1.0 1.5wt.%;原料粉末的加量為各成分
總質(zhì)量的60~65 wt.%;在水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的質(zhì)量比為9:1-12:1。
(2)將步驟(1)制備的漿料進(jìn)行超聲震動(dòng)，震動(dòng)時(shí)間為5 8min，用氨水將漿料的 pH值調(diào)整為8 10，然后倒入模具中，冷凍8 12h，再經(jīng)過(guò)真空干燥24-36小時(shí)，去模后
制得摻釹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(jī)分散劑優(yōu)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)真空干燥過(guò)程中的真空度為50~80 Pa。 所述步驟(2)中的冷凍溫度優(yōu)選為-40 -50T。
本發(fā)明所用的摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)粉料可用中國(guó)專(zhuān)利文件CN101311373 "—種 合成YAG單晶納米粉末的方法"制備。
本發(fā)明提供的摻雜釹的釔鋁石榴石透明陶瓷的成型方法，通過(guò)采用Nd:YAG粉料，加 入一定數(shù)量的聚丙烯酸分散劑，同時(shí)采用丙三醇和水為溶劑，丙三醇被認(rèn)為能夠改善料 漿的熱轉(zhuǎn)移，從而形成均勻的陶瓷體微結(jié)構(gòu)。采用冷凍干燥的方式，冷凍干燥的主要原 理是水通過(guò)升華的方法從固體中分離，從而避免了由于毛細(xì)管力引起的硬團(tuán)聚和破裂。
采用冷凍干燥方法制備的坯體，消除了干壓坯體中的封閉氣孔，同時(shí)，又避免了多 孔模型注漿帶來(lái)的坯體不均勻現(xiàn)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(lái)的污染，可以提高成型坯體的質(zhì)量，并克服其它成型方法引起的陶瓷質(zhì)量問(wèn)題。 采用冷凍注漿的方法制備的陶瓷坯體為以后的透明陶瓷的制備奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。


圖l為采用本發(fā)明方法實(shí)施例1制備的摻雜釹的釔鋁石榴石陶瓷坯體的照片。
圖2為采用本發(fā)明方法實(shí)施例1制備的摻雜釹的釔鋁石榴石陶瓷坯體的顯微結(jié)構(gòu)照片。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。
實(shí)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(zhì)量比為9: 1，加入聚丙烯酸分散劑的量為粉料質(zhì)量的1.5wt.%,原料粉末占各成分(水 和丙三醇的混合溶液、有機(jī)分散劑、原料粉末加量之和)總質(zhì)量的65 wt /。，靜置24h，放 入行星球磨機(jī)中球磨6h;
(2) 將球磨后的漿料倒出后，超聲震動(dòng)5min，并用氨水調(diào)節(jié)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，真空干燥24h后去模。步驟(2)真空干燥過(guò)程中的真空度為50 Pa。 實(shí)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(zhì)量比為10.5: 1，加入聚丙烯酸分散劑的量為粉料質(zhì)量的1.4 wt.%,原料粉末占各成分 總質(zhì)量的64wt。/。，靜置24h，放入行星球磨機(jī)中球磨10h;
(2) 將球磨后的槳料倒出后，超聲震動(dòng)5min，并用氨水調(diào)節(jié)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，真空干燥30h后去模。
步驟(2)真空干燥過(guò)程中的真空度為60 Pa。 實(shí)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(zhì)量比為12: 1，加入聚丙烯酸分散劑的量為粉料質(zhì)量的1.3 wt.%，原料粉末占各成分總 質(zhì)量的63 wt%，靜置24h，放入行星球磨機(jī)中球磨lOh;
(2) 將球磨后的漿料倒出后，超聲震動(dòng)5min，并用氨水調(diào)節(jié)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，真空干燥36h后去模。
所述步驟(2)真空干燥過(guò)程中的真空度為80 Pa。
權(quán)利要求
1. 一種摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷的冷凍成型方法，其特征在于步驟如下(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(jī)分散劑加入到水和丙三醇的混合溶液中靜置，靜置時(shí)間為12-24h，然后將其球磨混合后形成漿料，球磨時(shí)間為3-10h；其中有機(jī)分散劑的加量為原料粉末質(zhì)量的1.0～1.5wt.％；原料粉末的質(zhì)量為各成分總質(zhì)量的60～65wt.％；(2)將步驟(1)制備的漿料進(jìn)行超聲震動(dòng)，震動(dòng)時(shí)間為5～8min，用氨水將漿料的pH值調(diào)整為8～10，然后倒入模具中，冷凍8～12h，再經(jīng)過(guò)真空干燥24-36小時(shí)，去模后制得摻釹YAG的成型坯體。
2. 如權(quán)利要求1所述的摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷的冷凍成型方法，其特征在于 所述步驟(1)中的有機(jī)分散劑優(yōu)選為聚丙烯酸。
3. 如權(quán)利要求1所述的摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷的冷凍成型方法，其特征在于 步驟(1)所述的水和丙三醇的混合溶液中，水和丙三醇的質(zhì)量比為9:1-12:1。
4. 如權(quán)利要求1所述的摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷的冷凍成型方法，其特征在于 所述步驟(2)中使用的模具材料為聚四氟乙烯。
5. 如權(quán)利要求l所述的摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷的冷凍成型方法，其特征在于 所述步驟(2)真空干燥過(guò)程中的真空度為50 80 Pa。
6. 如權(quán)利要求l所述的摻釹釔鋁石榴石透明激光陶瓷的冷凍成型方法，其特征在于 所述步驟(2)中的冷凍溫度優(yōu)選為-40 -5(TC。
全文摘要
本發(fā)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(jī)分散劑加入到水和丙三醇的混合溶液中靜置，然后球磨，超聲震動(dòng)，用氨水將漿料的pH值調(diào)整為8～10，然后倒入模具中，冷凍8～12h，真空干燥，去模后制得摻釹YAG的成型坯體。本發(fā)明制備的陶瓷坯體具有高固含量，連通氣孔，并且陶瓷坯體密度均勻，在后序的煅燒和加工的過(guò)程中不易產(chǎn)生變形。
文檔編號(hào)B28C1/06GK101429018SQ200810237970
公開(kāi)日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者宏 劉, 鐸 劉, 劉樹(shù)江, 呂耀輝, 張曉林, 桑元華, 王繼揚(yáng) 申請(qǐng)人:山東大學(xué)