CN103922742A - 一种Y2O3-MgO纳米复相陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Y2O3-MgO纳米复相陶瓷及其制备方法，所述Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的组成为xY2O3·(1-x)MgO，其中，x为Y2O3的摩尔数与Y2O3、MgO总摩尔数的百分比，x取值范围为0.01≤x≤0.99；所述方法包括：先采用溶胶-凝胶法制备Y2O3-MgO纳米复相粉体，再采用放电等离子体烧结或热等静压烧结对过筛后的复相粉体进行烧结，得到红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。<b/>
Description
技术领域
本发明涉及一种红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷及其制备方法，具体涉及一种两相分布均匀、红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷及通过溶胶-凝胶法、放电等离子体烧结（SPS）或热等静压烧结（HIP）或热压烧结（HP）制备该复相陶瓷。
背景技术
红外透明材料是指能够透射红外辐射的材料，主要用于制造红外仪器的部件，如红外探测器的窗口、红外仪器光学系统的透镜和棱镜等。用于飞行器的红外透明窗口材料或整流罩要求能够保护光学系统免受大气、水分、灰尘的影响，同时参与系统成像和矫正像差，这就需要红外透明材料具有较大的透过率，机械强度，硬度和抗热冲击性能。
近年来，红外透明材料获得了较大的发展，涌现了例如镁铝尖晶石、氮氧化铝、蓝宝石等先进的红外材料。但这些先进的红外材料仍具有一定的局限性，如镁铝尖晶石力学性能，抗热冲击性能有限，发射率较高；氮氧化铝抗热冲击性能有限，发射率偏高；目前应用最广泛的蓝宝石也存在着制备，加工成本过高，随着温度升高力学性能显著下降，且发射率偏高的缺陷，所以有必要发展一种新的红外窗口材料。
研究发现，氧化钇和氧化镁具有透过率高、截止波长大、发射率较低等优点，进行两相复合则可进一步提高力学性能和抗热冲击性能。考虑到透过率、机械强度等与晶粒尺寸的关系，将复相陶瓷的晶粒尺寸控制在亚微米尺寸，可显著提高复相陶瓷的光学，力学和热学性能。所以，Y2O3-MgO纳米复相陶瓷有望成为下一代红外透明材料。
康涅狄格大学的Maurice Gell等[C.K.Muoto,E.H.Jordan,M.Gell,M.Aindow,M.Cinibulk,Phase Homogeneity in Y2O3-MgO Nanocomposites Synthesized by ThermalDecomposition of Nitrate Precursors with Ammonium Acetate Additions.Journal of the AmericanCeramic Society94,4207(2011).]研究了在硝酸钇和硝酸镁的混合液中添加醋酸铵对最终复相粉体性能以及复相陶瓷中两相分布均匀性的影响。加利福尼亚大学的DongTao Jiang等[D.Jiang,A.K.Mukherjee,Spark Plasma Sintering of an Infrared-Transparent Y2O3-MgONanocomposite.Journal of the American Ceramic Society93,769(2010).]以喷雾热价法制备出的Y2O3-MgO纳米复相粉体为原料，采用放电等离子体烧结工艺制备出的纳米复相陶瓷，并研究了保温时间和退火工艺对复相陶瓷的红外透过率的影响。但这两项研究都存在些问题，如Maurice Gell等选择醋酸铵作为添加剂来研究其对粉体两相分布的影响，忽略了达到所需的粉体中两相分布均匀时需要加入过量的醋酸铵，而煅烧过后残余在粉体中的碳会造成烧结后复相陶瓷存在严重的吸收。此外，粉体中两相分布均匀时，晶粒尺寸会过度长大（24nm左右），造成烧结活性下降，最终的复相陶瓷中的晶粒尺寸偏高，红外透过率下降的后果；DongTao Jiang等选用喷雾热解法制备的复相粉体为原料，需要对原料进行煅烧处理（喷雾热解法制备的粉体的结晶性能有限，其中无定型相较多），会造成粉体的晶粒尺寸变大以及分散性能变差，从而影响到最终的烧结性能以及复相陶瓷的性能。
发明内容
本发明旨在克服现有制备Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的方法所具有的缺陷，本发明提供一种通过溶胶-凝胶法、放电等离子体烧结（SPS）或热等静压烧结（HIP）或热压烧结（HP）制备Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的方法，获得了一种两相分布均匀、红外透过率高的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。
本发明提供一种制备Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的方法，所述Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的组成为xY2O3·(1-x)MgO，其中，x为Y2O3的摩尔数与Y2O3、MgO总摩尔数的百分比，x取值范围为0.01≤x≤0.99；
所述方法包括：先采用溶胶-凝胶法制备Y2O3-MgO纳米复相粉体，再采用放电等离子体烧结或热等静压烧结对过筛后的复相粉体进行烧结，得到红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷，其中，所述溶胶-凝胶法制备Y2O3-MgO纳米复相粉体包括：a）配制含有钇盐、镁盐和有机添加剂的起始溶液，所述有机添加剂为柠檬酸、乙二醇、丙二醇、葡萄糖、果糖、甘氨酸、尿素中的至少一种；以及b)将上述步骤a）所配制的起始溶液放入马弗炉中，加热至600℃-1000℃时，保温0.5-6小时，后自然降温，即得Y2O3-MgO纳米复相粉体。
较佳地，所述钇盐可为硝酸钇、醋酸钇、硫酸钇、氯化钇中的至少一种，所述镁盐可为硝酸镁、醋酸镁、硫酸镁、氯化镁中的至少一种，所述有机添加剂可为柠檬酸、乙二醇、丙二醇、葡萄糖、果糖、甘氨酸、尿素中的至少一种。
较佳地，所述钇盐的浓度可为0.01-1.50mol/L，所述镁盐的浓度可为0.01-2.00mol/L。
较佳地，所述有机添加剂的浓度可为0.01-2.50mol/L。
较佳地，在步骤b)中，可以1-5℃/分钟的升温速率进行加热。
较佳地，在步骤b)中，可先对马弗炉进行预热再将起始溶液放入，预热温度可为50-250℃。
较佳地，所述加热可为分阶段加热，包括：在150-250℃保温0-5小时，加热升温到400-500℃时保温0-24小时，后加热到600-1000℃时保温0.5-6小时。
较佳地，对所得复相粉体可进行球磨、干燥、造粒形成粒径为50-1000mm的粉体球形颗粒后进行烧结。
较佳地，球磨介质可为无水乙醇、丙酮、甘油、石油醚、异丙醇中的至少一种，球磨转速可为60-200r/分钟，球磨时间可为1-48小时。
较佳地，所述干燥可在50-90℃的烘箱中干燥0.2-24小时。
较佳地，所述造粒可为过25-100目筛造粒或者喷雾造粒。
较佳地，所述放电等离子体烧结的工艺参数可为:升温速率为2-200℃/分钟，保压压力为30-300MPa，保温温度为800-1400℃，保温时间为3-60分钟。
较佳地，所述热等静压烧结的工艺参数可为：保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-5小时，保压压力为50-300MPa。
较佳地，在进行热等静压烧结之前，可先进行预烧，所述预烧为真空预烧结、热压预烧结或放电等离子体预烧结。
较佳地，所述对Y2O3-MgO纳米复相粉体进行真空或热压预烧结，可采用干压、注浆、凝胶注、冷等静压或者先干压后冷等静压成型，其中，冷等静压压力为50-300MPa，真空预烧结时保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-3小时；热压预烧结时保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-3小时，保压压力为50-300MPa。
较佳地，所述烧结，可采用LiF、MgF2、AlF3、Al2O3、ZrO2、SiO2、硅凝胶以及正硅酸乙酯中的至少一种作为烧结助剂。
较佳地，所述方法还包括烧结后对Y2O3-MgO纳米复相陶瓷进行退火和机械加工处理。
较佳地，所述退火的工艺参数可为，退火温度为900-1400℃，保温时间为0.5-24小时。
本发明还提供一种所述方法制备的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷，所述Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的红外透过率为50%-82%，优选红外透过率为60%-82%的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。
本发明的有益效果：
本发明采用溶胶-凝胶法制备纳米复相粉体，原料成本低，工艺简单，可利于工业化大规模生产。采用溶胶-凝胶法时能保证金属离子实现分子水平的混合，使得最终形成的纳米氧化物复合粉体分布均匀。且反应过程中由大量的热和气体放出，这样保证了制备出的粉体的结晶度，并提高了粉体的分散的均匀性。采用放电等离子体烧结或热等静压烧结或热压烧结（HP），有效控制晶粒尺寸在亚微米或纳米尺度范围时实现致密化，从而提高产品的机械强度，硬度，红外透过率和抗热冲击性等性能。
附图说明
图1为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相粉体的XRD图，从图中可以看出图中的衍射峰对应于立方氧化钇和氧化镁相，没有其他的杂相；
图2为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相粉体的扫描电镜照片，由图中可见，粉体的平均晶粒尺寸约13nm，单颗粒大小分布均匀，并且没有严重团聚的现象；
图3为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的扫描电镜图，从图中看出，复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在120nm左右；
图4为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的背散射电子图，由图可见，复相陶瓷中两相分布均匀；
图5为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的红外透过率，在3.3μm处的透过率为55%；
图6为实施例2制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的扫描电镜图，从图中看出，复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在200nm左右，致密度较高；
图7为实施例2制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的背散射电子图，由图可见，复相陶瓷中两相分布均匀；
图8为实施例7制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的红外透过率，在2.5-8.0μm时透过率高于60%，其中最高处的透过率达到了75%，表明样品由较好的红外透明性能。
具体实施方式
通过以下具体实施方式并参照附图对本发明作进一步详细说明，应理解为，以下实施方式仅为对本发明的说明，不是对本发明内容的限制，任何对本发明内容未作实质性变更的技术方案仍落入本发明的保护范围。
本发明涉及一种新型红外透明Y2O3-MgO纳米复相陶瓷及其制备方法，属透明陶瓷制备技术领域。其特征在于采用溶胶-凝胶法制备出Y2O3-MgO纳米复相粉体，并利用放电等离子体烧结（SPS）或热等静压烧结（HIP）或热压烧结（HP）制备出红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。当采用溶胶-凝胶法时，可使得金属离子实现分子水平的混合，保证了制备出的纳米氧化物复相粉体两相分布均匀。此外反应过程中放出大量的热和气体，提高了粉体的结晶性能和分散性，同时降低了粉体的颗粒尺寸。利用该方法制备粉体的成本较传统方法（喷雾热解法，共沉淀法等）有大幅降低，粉体性能（颗粒的尺寸，颗粒尺寸分布，两相分布等）有所提高，该方法还具有工艺简单，可大规模生产等特点。在烧结过程中，利用放电等离子体烧结或热等静压烧结烧结或热压烧结，有效控制复相陶瓷中晶粒的尺寸在亚微米或纳米尺度范围时实现复相陶瓷的致密化，从而提高产品的机械强度，硬度，红外透过率和抗热冲击性等性能。
本发明涉及一种新型红外透明Y2O3-MgO纳米复相陶瓷及其制备方法，属透明陶瓷制备技术领域。其特征在于采用溶胶-凝胶法制备出Y2O3-MgO纳米复相粉体，经球磨，干燥，过筛后，利用放电等离子体烧结（SPS）或热等静压烧结（HIP）或热压烧结（HP）制备出红外透明Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。
所述制备出Y2O3-MgO纳米复相陶瓷，Y2O3-MgO可以表示为xY2O3·(1-x)MgO，其中，x为Y2O3的摩尔数与Y2O3和MgO总摩尔数的百分比，x取值范围为：0.01≤x≤0.99。
按最终氧化物的化学计量比配制出钇盐和镁盐的混合液，后加入有机添加剂，搅拌均匀，配成起始溶液。
所述配制起始溶液，钇盐可以为硝酸钇，醋酸钇，硫酸钇和氯化钇中的一种或多种；镁盐可以为硝酸镁，醋酸镁，硫酸镁和氯化镁中的一种或几种。有机添加剂可以为柠檬酸，乙二醇，丙二醇，葡萄糖，果糖，尿素中的一种或几种。
所述配制起始溶液，钇盐的浓度为0.01-1.50mol/L，镁盐的浓度为0.01-2.00mol/L，有机添加剂的浓度为0.01-2.50mol/L。
所述配制的起始溶液放入马弗炉中，加热到一定温度，保温，后自然降温。
所述的纳米复相粉体制备过程，马弗炉内可以是室温，也可以先对马弗炉进行预热，预热温度为50-250℃。
所述的纳米复相粉体制备过程，加热时升温速率为1-5℃/min，保温温度为600℃-1000℃，保温时间为1-12h。
所述的纳米复相粉体制备过程，可分阶段多次保温。在150-250℃保温0-5h，加热升温到400-500℃时，保温0-24h，后加热到600-1000℃时保温1-12h，后自然降温。
所述对制备的纳米复相粉体进行球磨，球磨介质可以为无水乙醇、丙酮、甘油、石油醚，异丙醇等中的一种或几种，球磨转速为60-200r/min，球磨时间为1-48h。
所述对球磨后的纳米复相粉体进行干燥，过筛，浆料在50-90℃的烘箱中干燥0.2-24小时后过25-100目筛造粒，或者喷雾造粒成粒径为50-1000mm的粉体球形颗粒。
所述对Y2O3-MgO纳米复相粉体进行放电等离子体烧结。升温速率为2-200℃/min，保压压力为30-300MPa，保温温度为800-1400℃，保温时间为3-60min。
所述对Y2O3-MgO纳米复相粉体进行热等静压烧结。可预先进行真空烧结，或热压烧结或放电等离子体烧结，后对预烧过的复相陶瓷进行热等静压烧结。
所述对Y2O3-MgO纳米复相粉体进行真空或热压预烧结，其特征在于：采用干压或注浆或凝胶注或冷等静压成型。也可先干压，后冷等静压成型。其中，冷等静压压力为50-300MPa。真空预烧结时保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-3h。热压预烧结时，保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-3h，保压压力为50-300MPa。后续热等静压烧结时，保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-5h，保压压力为50-300MPa。
所述对纳米复相粉体进行放电等离子体烧结或热等静压烧结，可以不添加烧结助剂，也可以选用LiF、MgF2、AlF3、Al2O3、ZrO2、SiO2、硅凝胶以及正硅酸乙酯中的一种或多种作为烧结助剂。
所述Y2O3-MgO纳米复相陶瓷进行退火和机械加工处理。
所述进行退火处理，在空气或通氧气氛中退火，退火温度为900-1400℃，保温时间为0.5-24h。
本发明选用溶胶-凝胶法制备Y2O3-MgO纳米复相粉体，选用与金属离子的络合性能好，易形成空间网状结构且燃烧反应时放热较高有机物作为添加剂，这样既保证了粉体中Y2O3和MgO两相分布的均匀性，又保证了粉体有较好的结晶性，避免了进一步煅烧造成的晶粒长大和团聚。后采用放电等离子体烧结或热等静压烧结，有效控制晶粒尺寸在亚微米或纳米尺度时实现复相陶瓷的致密化。
本发明的技术解决方案如下：
1)按最终氧化物的化学计量比配制出的钇盐（硝酸钇，醋酸钇，硫酸钇和氯化钇中的一种或多种）和镁盐（硝酸镁，醋酸镁，硫酸镁和氯化镁中的一种或几种）混合液中加入有机添加剂（柠檬酸，乙二醇，丙二醇，葡萄糖，果糖，甘氨酸，尿素中的一种或几种），搅拌均匀，配成起始溶液；
2)将上述步骤1）所配制的起始溶液放入马弗炉中（可预热过），加热升温至600℃-1000℃，保温0.5-12h，随后自然冷却；
3）将上述步骤2）所制备的Y2O3-MgO纳米复相粉体进行球磨，干燥和过筛；
4）对上述步骤3）处理过的Y2O3-MgO纳米复相粉体进行放电等离子体烧结或热等静压烧结烧结；
5）对上述步骤4）所制备的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷在空气或氧气氛围下进行退火处理，退火温度为900-1400℃，退火保温时间为0.5-24h。后进行机械加工处理，得到红外透明Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。
本发明的技术效果：
1）本发明采用溶胶-凝胶法制备纳米复相粉体，原料成本低，工艺简单，可利于工业化大规模生产；
2）采用溶胶-凝胶法时能保证金属离子实现分子水平的混合，使得最终形成的纳米氧化物复合粉体分布均匀。且反应过程中由大量的热和气体放出，这样保证了制备出的粉体的结晶度，并提高了粉体的分散的均匀性；
3）采用放电等离子体烧结或热等静压烧结或热压烧结，有效控制晶粒尺寸在亚微米或纳米尺度范围时实现致密化，从而提高产品的机械强度，硬度，红外透过率和抗热冲击性等性能。
图1为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相粉体的XRD图，从图中可以看出图中的衍射峰对应于立方氧化钇和氧化镁相，没有其他的杂相；
图2为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相粉体的扫描电镜照片，由图中可见，粉体的平均晶粒尺寸约13nm，单颗粒大小分布均匀，并且没有严重团聚的现象；
图3为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的扫描电镜图，从图中看出，复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在120nm左右；图4为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的背散射电子图。由图可见，复相陶瓷中两相分布均匀；
图5为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的红外透过率，在3.3μm处的透过率为55%；
图6为实施例2制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的扫描电镜图，从图中看出，复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在250nm左右，致密度较高；
图7为实施例2制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的背散射电子图，由图可见，复相陶瓷中两相分布均匀；
图8为实施例7制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的红外透过率，在2.5-8.0μm时透过率高于60%，其中最高处的透过率达到了75%，表明样品由较好的红外透明性能。
以下进一步列举出一些示例性的实施例以更好地说明本发明。应理解，本发明详述的上述实施方式，及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。另外，下述工艺参数中的具体配比、时间、温度等也仅是示例性，本领域技术人员可以在上述限定的范围内选择合适的值。
实施例1
在一定量的Y(NO3)3和Mg(NO3)2混合液中，分别加入一水柠檬酸和乙二醇，后将总溶液标定成160ml，各组分的浓度分别为柠檬酸0.25mol/L，乙二醇0.08mol/L，Y(NO3)3为0.23mol/L，Mg(NO3)2为0.46mol/L。将溶液搅拌均匀，放入到预热过的200℃的马弗炉中，以1℃/min升到800℃，保温1h，后自然降温。得到Y2O3-MgO纳米复相粉体。以无水乙醇为分散介质进行球磨，后干燥，过筛。对处理过的粉体进行放电等离子体烧结，其中，升温速率为100℃/min，保压压力为80MPa，保温温度为1100℃，保温时间为5min。在空气中1000℃退火15h。最终，获得了高质量红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。
图1为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相粉体的XRD图。从图中可以看出图中的衍射峰对应于立方氧化钇和氧化镁相，没有其他的杂相。
图2为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相粉体的扫描电镜照片。由图中可见，粉体的平均晶粒尺寸约13nm，单颗粒大小分布均匀，并且没有严重团聚的现象。
图3为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的扫描电镜图。从图中看出，复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在120nm左右。
图4为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的背散射电子图。由图可见，复相陶瓷中两相分布均匀。
图5为实施例1制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的红外透过率，在3-6μm处的透过率为超过了50%。
实施例2
在一定量的Y(NO3)3和Mg(NO3)2混合液中，分别加入一水柠檬酸和乙二醇，后将总溶液标定成160ml，各组分的浓度分别为柠檬酸0.25mol/L，乙二醇0.08mol/L，Y(NO3)3为0.23mol/L，Mg(NO3)2为0.46mol/L。将溶液搅拌均匀，放入到预热过的200℃的马弗炉中，以1℃/min升到800℃，保温1h，后自然降温。得到Y2O3-MgO纳米复相粉体。以无水乙醇为分散介质进行球磨，后干燥，过筛。对处理过的粉体进行放电等离子体烧结，其中，升温速率为100℃/min，保压压力为80MPa，保温温度为1200℃，保温时间为5min。在空气中1000℃退火15h。最终，获得了红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。
图6为实施例2制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的扫描电镜图。从图中看出，复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在200nm左右，致密度较高。
图7为实施例2制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的背散射电子图。由图可见，复相陶瓷中两相分布均匀。
实施例3
在一定量的Y(NO3)3和Mg(NO3)2混合液中，分别加入一水柠檬酸和乙二醇，后将总溶液标定成160ml，各组分的浓度分别为柠檬酸0.25mol/L，乙二醇0.08mol/L，Y(NO3)3为0.05mol/L，Mg(NO3)2为0.20mol/L。将溶液搅拌均匀，放入到预热过的200℃的马弗炉中，以1℃/min升到800℃，保温1h，后自然降温。得到Y2O3-MgO纳米复相粉体。以无水乙醇为分散介质进行球磨，后干燥，过筛。对处理过的粉体进行干压，冷等静压成型，后进行真空烧结。真空烧结时保温温度为1350℃，保温时间为2h。最后进行热等静压烧结，其中保温温度为1300℃，保温时间为1h，保压压力为150MPa。在空气中1000℃退火10h，后进行抛光处理。最终，获得了红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在150nm左右，致密度较高，且两相分布均匀。
实施例4
在一定量的Y(NO3)3和Mg(NO3)2混合液中，分别加入一水柠檬酸和乙二醇，后将总溶液标定成160ml，各组分的浓度分别为柠檬酸0.25mol/L，乙二醇0.08mol/L，Y(NO3)3为0.05mol/L，Mg(NO3)2为0.20mol/L。将溶液搅拌均匀，放入到预热过的200℃的马弗炉中，以1℃/min升到800℃，保温1h，后自然降温。得到Y2O3-MgO纳米复相粉体。以无水乙醇为分散介质进行球磨，后干燥，过筛。对处理过的粉体进行干压，冷等静压成型，后进行热压烧结。热压烧结时保温温度为1200℃，保温时间为1h，保压压力为100MPa。最后进行热等静压烧结，其中保温温度为1250℃，保温时间为1h，保压压力为150MPa。在空气中1000℃退火10h，后进行抛光处理。最终，获得了红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在150nm左右，致密度较高，且两相分布均匀。
实施例5
在一定量的Y(NO3)3和Mg(NO3)2混合液中，分别加入一水柠檬酸和乙二醇，后将总溶液标定成160ml，各组分的浓度分别为柠檬酸0.25mol/L，乙二醇0.08mol/L，Y(NO3)3为0.23mol/L，Mg(NO3)2为0.46mol/L。将溶液搅拌均匀，放入到预热过的200℃的马弗炉中，以1℃/min升到800℃，保温1h，后自然降温。得到Y2O3-MgO纳米复相粉体。以无水乙醇为分散介质进行球磨，后干燥，过筛。对处理过的粉体进行注浆成型，干燥后进行真空烧结。真空烧结时保温温度为1350℃，保温时间为2h。最后进行热等静压烧结，其中保温温度为1300℃，保温时间为1h，保压压力为150MPa。在空气中1000℃退火10h，后进行抛光处理。最终，获得了红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在180nm左右，致密度较高，且两相分布均匀。
实施例6
在一定量的Y(NO3)3和Mg(NO3)2混合液中，分别加入一水柠檬酸和乙二醇，后将总溶液标定成160ml，各组分的浓度分别为柠檬酸0.25mol/L，乙二醇0.08mol/L，Y(NO3)3为0.23mol/L，Mg(NO3)2为0.46mol/L。将溶液搅拌均匀，放入到预热过的200℃的马弗炉中，以1℃/min升到800℃，保温1h，后自然降温。得到Y2O3-MgO纳米复相粉体。以无水乙醇为分散介质进行球磨，后干燥，过筛。对处理过的粉体进行放电等离子体烧结，其中，升温速率为100℃/min，保压压力为80MPa，保温温度为1000℃，保温时间为5min。最后进行热等静压烧结，其中保温温度为1350℃，保温时间为1h，保压压力为150MPa在空气中1000℃退火15h，后进行抛光处理。最终，获得了红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在180nm左右，致密度较高，且两相分布均匀。
实施例7
在一定量的Y(NO3)3和Mg(NO3)2混合液中，分别加入一水柠檬酸和乙二醇，后将总溶液标定成160ml，各组分的浓度分别为柠檬酸0.25mol/L，乙二醇0.08mol/L，Y(NO3)3为0.23mol/L，Mg(NO3)2为0.46mol/L。将溶液搅拌均匀，放入到预热过的200℃的马弗炉中，以1℃/min升到800℃，保温1h，后自然降温。得到Y2O3-MgO纳米复相粉体。以无水乙醇为分散介质进行球磨，后干燥，过筛。对处理过的粉体进行热压烧结，其中，升温速率为15℃/min，保压压力为50MPa，保温温度为1200℃，保温时间为60min。在空气中1000℃退火15h。最终，获得了红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷。复相陶瓷中晶粒尺寸为亚微米尺度且分布均匀，晶粒尺寸在120nm左右，致密度较高，且两相分布均匀。
图8为实施例7制备出的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的红外透过率，在2.5-8.0μm时透过率高于60%，其中最高处的透过率达到了75%，表明样品由较好的红外透明性能。
对比例1
将37.5g Y(NO3)3·6H2O和56.9gMg(NO3)2·6H2O溶解于120ml的去离子水中，后加入醋酸铵，搅拌均匀至澄清液。将配好的前驱体溶液放入120℃预热过的马弗炉中，保温15小时，形成白色的凝胶。后将凝胶于550℃煅烧2小时，形成白色的氧化物粉体。粉体冷等静压，烧结，其中烧结温度为1350℃，保温时间为4小时。研究结果表明，当醋酸铵加入量为25.9g时，制备出的纳米复合粉体两相分布均匀，复相陶瓷中两相的平均晶粒尺寸相似。但粉体中Y2O3和MgO平均晶粒尺寸分别达到了24nm和26nm，远大于13nm。此外，烧结出的复相陶瓷中Y2O3和MgO平均晶粒尺寸分别为402nm和388nm，远大于120nm。
本发明选用溶胶-凝胶法制备Y2O3-MgO纳米复相粉体，选用氧化还原反应时放热较多的有机物作为添加剂，这样既保证了粉体中Y2O3和MgO两相分布的均匀性，又保证了粉体有较好的结晶性，避免了进一步煅烧造成的晶粒长大和团聚。后采用放电等离子体烧结或热等静压烧结或热压烧结，有效控制晶粒尺寸在亚微米或纳米尺度时实现复相陶瓷的致密化。
Claims (19)
1.一种制备Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的方法，其特征在于，所述Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的组成为xY2O3·(1-x)MgO，其中，x为Y2O3的摩尔数与Y2O3、MgO总摩尔数的百分比，x取值范围为0.01≤x≤0.99；
所述方法包括：先采用溶胶-凝胶法制备Y2O3-MgO纳米复相粉体，再采用放电等离子体烧结或热等静压烧结对过筛后的复相粉体进行烧结，得到红外透明的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷，其中，所述溶胶-凝胶法制备Y2O3-MgO纳米复相粉体包括：a）配制含有钇盐、镁盐和有机添加剂的起始溶液，所述有机添加剂为柠檬酸、乙二醇、丙二醇、葡萄糖、果糖、甘氨酸、尿素中的至少一种；以及b)将上述步骤a）所配制的起始溶液放入马弗炉中，加热至600℃-1000℃时，保温0.5-6小时，后自然降温，即得Y2O3-MgO纳米复相粉体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钇盐为硝酸钇、醋酸钇、硫酸钇、氯化钇中的至少一种，所述镁盐为硝酸镁、醋酸镁、硫酸镁、氯化镁中的至少一种，所述有机添加剂为柠檬酸、乙二醇、丙二醇、葡萄糖、果糖、甘氨酸、尿素中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钇盐的浓度为0.01-1.50 mol/L，所述镁盐的浓度为0.01-2.00 mol/L。
4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述有机添加剂的浓度为0.01-2.50 mol/L。
5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，以1-5℃/分钟的升温速率进行加热。
6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，先对马弗炉进行预热再将起始溶液放入，预热温度为50-250℃。
7.根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，所述加热为分阶段加热，包括：在150-250℃保温0-5小时，加热升温到400-500℃时保温0-24小时，后加热到600-1000℃时保温0.5-6小时。
8.根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，对所得复相粉体进行球磨、干燥、造粒形成粒径为50-1000mm的粉体球形颗粒后进行烧结。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，球磨介质为无水乙醇、丙酮、甘油、石油醚、异丙醇中的至少一种，球磨转速为60-200 r/分，球磨时间为1-48 小时。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述干燥是在50-90℃的烘箱中干燥0.2-24小时。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述造粒为过25-100目筛造粒或者喷雾造粒。
12.根据权利要求1-11中任一所述的方法，其特征在于，所述放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率为2-200℃/分钟，保压压力为30-300MPa，保温温度为800-1400℃，保温时间为3-60分钟。
13.根据权利要求1-12所述的方法，其特征在于，所述热等静压烧结的工艺参数为：保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-5小时，保压压力为50-300MPa。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在进行热等静压烧结之前，先进行预烧，所述预烧为真空预烧结、热压预烧结或放电等离子体预烧结。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述对Y2O3-MgO纳米复相粉体进行真空预或热压预烧结，采用干压、注浆、凝胶注、冷等静压或者先干压后冷等静压成型，其中，冷等静压压力为50-300MPa，真空预烧结时保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-3小时；热压预烧结时保温温度为800-1400℃，保温时间为0.5-3小时，保压压力为50-300MPa。
16.根据权利要求1-15中任一所述的方法，其特征在于，所述烧结采用LiF、MgF2、AlF3、Al2O3、ZrO2、SiO2、硅凝胶以及正硅酸乙酯中的至少一种作为烧结助剂。
17.根据权利要求1-16中任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括烧结后对Y2O3-MgO纳米复相陶瓷进行退火和机械加工处理。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述退火的工艺参数为，退火温度为900-1400℃，保温时间为0.5-24小时。
19.一种根据权利要求1-18中任一所述的方法制备的Y2O3-MgO纳米复相陶瓷，其特征在于，所述Y2O3-MgO纳米复相陶瓷的红外透过率为50%-82%。
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