CN104193348A - 一种陶瓷阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CT探测器用闪烁陶瓷阵列的制备方法。该方法首先将陶瓷粉体浆料流延成膜，然后将流延膜层叠、激光切割为陶瓷膜阵列，最后进行脱粘、烧结处理，得到所需的陶瓷阵列。与传统的先烧结后切割的陶瓷阵列加工方法相比，本发明克服了的陶瓷材料硬度高、难加工的问题，并且加工周期短，成本低，易于工业化推广，尤其适用于CT探测器等对陶瓷材料硬度要求很高的技术领域。

Description

一种陶瓷阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种陶瓷阵列的制备方法。

背景技术

陶瓷材料作为一种重要的工业材料，目前的应用领域越来越广，其中陶瓷阵列的需求也日益增多。传统的陶瓷阵列的加工方法是先烧结整块致密的陶瓷材料，然后利用机械加工方法切割成所需的陶瓷阵列。但是，一般陶瓷材料的硬度较高，因此这种利用机械加工切割制备陶瓷阵列的方法效率低、难度大、成本高。

例如，探测器是X射线CT系统的核心部件，而实现X射线向可见光转换的闪烁陶瓷则是探测器最重要的组成部分。为了获得高的分辨率与良好的成像质量，闪烁陶瓷需加工成许多相互独立的像素粒子，传统的加工方法是先烧结整块致密的闪烁陶瓷，然后利用机械加工方法切割成所需的闪烁陶瓷阵列。但是，用于CT探测器的闪烁陶瓷都有非常高的硬度，因此该方法效率低、难度大而且成本非常高。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述技术问题，提供一种制备陶瓷阵列的新方法，该方法简单易行，有利于工业化生产。

本发明提供的技术方案为：一种陶瓷阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照陶瓷材料的组成分子式配料，得到陶瓷粉体，加入分散剂、粘结剂、溶剂，混合均匀，得到陶瓷粉体浆料；

(2)将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠，得到陶瓷膜叠层，在陶瓷膜叠层上按所需阵列图形进行激光切割，得到陶瓷膜阵列；

(3)将陶瓷膜阵列升温进行脱粘处理以除去粘结剂，最后进行高温烧结，得到陶瓷阵列。

所述的陶瓷材料不限，包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等。所述的氧化物陶瓷不限，包括稀土发光离子掺杂且具有A₃B₄O₁₂石榴石结构的氧化物陶瓷，其中稀土发光离子包括Ce、Pr、Eu等中的一种或两种及其以上的组合，石榴石结构中A位离子为Gd、Lu、Y、Tb等中的一种或两种及其以上的组合，B位离子为Ga、Al、Sc等中的一种或两种及其以上的组合。

作为优选，所述的步骤(1)中，陶瓷粉体浆料中的固相含量为50vol％-55vol％。

作为优选，所述的步骤(1)中，陶瓷粉体的平均粒径为30-100nm。

作为优选，所述的步骤(1)中，陶瓷粉体的纯度高于99.99％。

所述的步骤(1)中，陶瓷浆料的溶剂包括但不限于去离子水或乙醇与丁酮的混合液。

所述的步骤(1)中，陶瓷粉体浆料的溶剂为水时，分散剂优选为阳离子型分散剂，陶瓷粉体浆料中分散剂的质量百分含量优选为0.5-3％；进一步优选，分散剂为聚丙烯酸钾、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵等中的一种。

所述的步骤(1)中，陶瓷粉体浆料的溶剂为水时，粘结剂优选为聚乙烯醇、水溶性苯丙乳液、水溶性环氧树脂乳液等中的一种，陶瓷粉体浆料中粘结剂的固含量与陶瓷粉体的质量比优选为0.1-0.3；进一步优选，粘结剂为丙烯酸、聚乙烯醇、丙烯酰胺单体、聚丙烯酸类乳胶。

所述的步骤(1)中，陶瓷粉体浆料的溶剂为为乙醇/丁酮时，分散剂优选为聚乙烯吡咯烷酮等，陶瓷粉体浆料中分散剂的质量百分含量为1-5％。

所述的步骤(1)中，陶瓷粉体浆料的溶剂为为乙醇/丁酮时，粘结剂优选为聚乙烯醇缩丁醛，陶瓷粉体浆料中粘结剂的质量百分含量为3-12％。

作为优选，所述的步骤(1)中，陶瓷粉体浆料中包括塑性剂。所述的塑性剂不限，包括聚乙二醇，丙三醇、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二丁酯，阴离子型脂肪族聚氨酯乳液等中的一种或几种的混合。当陶瓷粉体浆料的溶剂为为乙醇/丁酮时，塑性剂优选为邻苯二甲酸甲苯基丁酯，陶瓷粉体浆料中塑性剂的质量含量优选为1-2倍粘结剂的质量含量。

所述的步骤(2)中，激光切缝宽度优选为0.1-1mm。

作为优选，所述的步骤(2)中，沿层叠厚度方向对陶瓷膜阵列加载压力，并进行保压，以使流延膜叠层之间连接更加紧密。压力大小优选为1-30MPa，进一步优选为10-20MPa，保压时间优选为1-10min，进一步优选为2-5min。

所述的步骤(2)中，陶瓷膜阵列可以采用如下两种方式实现：

方式一具体有如下过程组成：

(a)将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠至第一层叠厚度，得到第一陶瓷膜叠层；

(b)在第一陶瓷膜叠层表面继续层叠流延膜，并用激光沿层叠厚度方向将该流延膜按所需阵列图形进行切割；

(c)重复步骤(b)，直到第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到第二层叠厚度。

该方式一中，所述的第一层叠厚度优选为5-10mm；所述的第二层叠厚度优选为3-15mm。

该方式一中，作为优选，在过程(c)中，当所述的第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到第二层叠厚度后，沿层叠厚度方向对流延膜加载压力，并保压一定时间，以使流延膜叠层之间的连接更加紧密。压力大小优选为1-30MPa，进一步优选为10-20MPa，保压时间优选为1-10min，进一步优选为2-5min。

方式二具体如下：

将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠至层叠厚度，得到陶瓷膜叠层，然后用激光沿层叠厚度方向将该陶瓷膜叠层按所需阵列图形进行切割，切割厚度小于所述的层叠厚度。

该方式二中，所述的层叠厚度优选为8-25mm；所述的切割厚度优选为3-15mm。

方式二中，作为优选，沿层叠厚度方向对陶瓷膜叠层施加压力，并保压一定时间，以使流延膜叠层之间的连接更加紧密。压力大小优选为1-30MPa，进一步优选为10-20MPa，保压时间优选为1-10min，进一步优选为2-5min。

所述的步骤(3)中，脱粘温度优选为500℃-1000℃，更优选为500℃-800℃；进一步优选，在脱粘温度下进行保温处理，保温时间优选为1-5h，更优选为1-3h。

所述的步骤(3)中，烧结温度优选为1500℃-1700℃，更优选为1550℃-1650℃，保温时间优选为1-10h。

综上所述，本发明针对陶瓷阵列难以机械加工的问题，采用首先将陶瓷粉体浆料流延成膜，然后将流延膜层叠、激光切割为陶瓷膜阵列，最后进行脱粘、烧结处理，得到所需的陶瓷阵列，因此该制备方法具有如下优点：

(1)陶瓷烧结前就已经形成所需的阵列，即可避免对高硬度的陶瓷材料的机械加工，还能保证阵列尺寸的精确控制，为进一步工程化应用推广奠定了基础；

(2)陶瓷材料种类多，陶瓷阵列的应用领域较多，因此本发明的制备方法适用领域范围较广，尤其适用于高硬度的陶瓷材料应用领域，例如在CT探测器领域中制备闪烁陶瓷阵列等。

附图说明

图1是本发明实施例2中的Ce_0.05Gd_2.95Al₂Ga₃O₁₂陶瓷阵列图；

图2是图1的A部分横截面放大图；

图3是图1的纵截面图及其中B部分的放大图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1-3中的附图标记为：1-像素点；2-像素点间空隙；3-像素点的长度；6-像素点的宽度；5-像素点的厚度；4、7-像素点间空隙的宽度、8-衬底厚度。

实施例1：

本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为Ce_0.05Gd_2.95Al₂Ga₃O₁₂，该陶瓷材料的阵列为长方体阵列，阵列中的像素点的横截面呈1.2mm×1.2mm的正方形，厚度为5mm，各像素点间的间隔宽度为0.3mm。该陶瓷阵列的制备方法如下：

(1)按陶瓷材料Ce_0.05Gd_2.95Al₂Ga₃O₁₂化学计量比称量总质量为30g的高纯CeO₂，Gd₂O₃，Ga₂O₃，Al(NO₃)₃粉体，加入到12ml含3g分散剂聚丙烯酸铵的水溶液中，以Al₂O₃为磨球，高能球磨3h；之后加入6g粘结剂聚乙烯醇，2.5g塑性剂聚乙二醇，高能球磨10h，得到陶瓷粉体浆料；

(2)将陶瓷粉体浆料真空脱泡后流延成膜，室温自然干燥3-5h后从基带上剥离；之后在叠层实体制造系统上将流延膜上下层叠，形成厚度为8mm，横截面为36mm×96mm的长方体陶瓷膜叠层，然后在叠层上沿层叠厚度方向加载20MPa压力成型，并保压5min，最后用激光将该陶瓷膜叠层进行切割，切割厚度为5mm，使其横截面切割为24×64的小方块，小方块尺寸为1.2mm×1.2mm，激光切缝宽度为03mm；

(3)将切割后的陶瓷膜叠层放入马夫炉中脱粘，脱粘温度为800℃，保温时间为2h；最后，将脱粘后的陶瓷膜叠层在氧气气氛中烧结，烧结温度为1650℃，保温时间为5h。

上述制得的陶瓷阵列可用于CT探测器中的闪烁陶瓷阵列。

实施例2：

本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为Ce_0.05Gd_2.95Al₂Ga₃O₁₂，该陶瓷材料的阵列如图1所示，为长方体阵列。如图2所示，阵列中的像素点(图2中标记为1)的横截面呈1.2mm×1.2mm(图2中标记为3、6)的正方形，厚度(图2中标记为5)为10mm，各像素点间的间隔(图2中标记为2)的宽度(图2中标记为4、7)为0.3mm。该陶瓷阵列的制备方法如下：

(1)按陶瓷材料Ce_0.05Gd_2.95Al₂Ga₃O₁₂化学计量比称量总质量为30g的高纯CeO₂,Gd₂O₃，Ga₂O₃，Al(NO₃)₃粉体，加入到11ml含4g分散剂四甲基氢氧化铵的水溶液中，以Al₂O₃为磨球，高能球磨3h；之后加入6g粘结剂水性环氧树脂乳液，3g塑性剂脂肪族聚氨酯乳液，高能球磨10h，得到陶瓷粉体浆料；

(2)将陶瓷粉体浆料真空脱泡后流延成膜，室温自然干燥3-5h后从基带上剥离；之后在叠层实体制造系统上将流延膜上下层叠，如图3所示，形成横截面为36mm×96mm，厚度为5mm(图3中标记为8)的长方体第一陶瓷膜叠层作为衬底；

(3)在第一陶瓷膜叠层表面再层叠流延膜，并用激光沿层叠厚度方向将该流延膜切割为24×64的小方块像素点，每个像素点尺寸为1.2mm×1.2mm，激光切缝宽度为0.3mm；

(4)重复步骤(3)，直到第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到10mm的厚度，然后沿层叠厚度方向加载20MPa轴向压力，并保压3min。

(5)将步骤(4)得到的陶瓷膜叠层放入马夫炉中脱粘，脱粘温度为800℃，保温时间为2h；最后，将脱粘后的陶瓷膜叠层在氧气气氛中烧结，烧结温度为1650℃，保温时间为5h。

上述制得的陶瓷阵列可用于CT探测器中的闪烁陶瓷阵列。

实施例3：

本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为Ce_0.05Gd_2.95Al₂Ga₃O₁₂，该陶瓷材料的阵列为长方体阵列，阵列中的像素点的横截面呈1.2mm×1.2mm的正方形，厚度为10mm，各像素点间的间隔宽度为0.3mm。该陶瓷阵列的制备方法如下：

(1)按陶瓷材料Ce_0.05Gd_2.95Al₂Ga₃O₁₂化学计量比称量总质量为30g的高纯CeO₂,Gd₂O₃，Ga₂O₃，Al(NO₃)₃粉体，加入到30ml含0.6g分散剂聚乙烯吡咯烷酮的乙醇/丁酮溶液中，以Al₂O₃为磨球，高能球磨3h；之后加入2.6g粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，5.2g塑性剂邻苯二甲酸甲苯基丁酯，高能球磨10h，得到陶瓷粉体浆料；

(2)将陶瓷粉体浆料真空脱泡后流延成膜，室温自然干燥3-5h后从基带上剥离；之后在叠层实体制造系统上将流延膜上下层叠，形成横截面为36mm×96mm，厚度为3mm的长方体第一陶瓷膜叠层；

(3)在第一陶瓷膜叠层表面再层叠流延膜，并用激光沿层叠厚度方向将该流延膜切割为24×64的小方块像素点，每个像素点尺寸为1.2mm×1.2mm，激光切缝宽度为0.3mm；

(4)重复步骤(3)，直到第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到10mm厚度，然后沿层叠厚度方向加压15MPa，并保压3min。

(5)将步骤(4)得到的陶瓷膜叠层放入马夫炉中脱粘，脱粘温度为500℃，保温时间为2h；最后，将脱粘后的陶瓷膜叠层在氧气气氛中烧结，烧结温度为1650℃，保温时间为5h。

上述制得的陶瓷阵列可用于CT探测器中的闪烁陶瓷阵列。

实施例4：

本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为Ce_0.15Lu₁Gd_1.85Al₃Ga₂O₁₂，该陶瓷材料的阵列为长方体阵列，阵列中的像素点的横截面呈1.1mm×1.1mm的正方形，厚度为10mm，各像素点间的间隔宽度为0.28mm。该陶瓷阵列的制备方法如下：

(1)按陶瓷材料Ce_0.15Lu₁Gd_1.85Al₃Ga₂O₁₂化学计量比称量总质量为30g的高纯Lu₂O₃，CeO₂,Gd₂O₃，Ga₂O₃，Al(NO₃)₃粉体，加入到30ml含0.6g分散剂聚乙烯吡咯烷酮的乙醇/丁酮溶液中，以Al₂O₃为磨球，高能球磨3h；之后加入2.6g粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，5.2g塑性剂邻苯二甲酸甲苯基丁酯，高能球磨10h，得到陶瓷粉体浆料；

(2)将陶瓷粉体浆料真空脱泡后流延成膜，室温自然干燥3-5h后从基带上剥离；之后在叠层实体制造系统上将流延膜上下层叠，形成厚度为3mm，横截面为36mm×96mm的长方体陶瓷膜叠层，然后沿层叠厚度方向加载20MPa压力，并保压3min，最后用激光将该陶瓷膜叠层进行切割，切割厚度为10mm，使其横截面切割为24×64的小方块，小方块尺寸为1.1mm×1.1mm，激光切缝宽度为0.28mm；

(3)将切割后的陶瓷膜叠层放入马夫炉中脱粘，脱粘温度为500℃，保温时间为2h；最后，将脱粘后的陶瓷膜叠层在氧气气氛中烧结，烧结温度为1620℃，保温时间为3h。

上述制得的陶瓷阵列可用于CT探测器中的闪烁陶瓷阵列。

实施例5：

本实施例中，陶瓷材料的化学分子式为Ce_0.15Y₁Gd_1.85Al₃Sc₂O₁₂，该陶瓷材料的阵列与实施例4中的陶瓷阵列相同。

该陶瓷阵列的制备方法与实施例4中的制备方法基本相同，所不同的是：在步骤(1)中，：

(1)按陶瓷材料Ce_0.15Y₁Gd_1.85Al₃Sc₂O₁₂的化学计量比称量总质量为30g的高纯Y₂O₃，CeO₂,Gd₂O₃，Sc₂O₃，Al(NO₃)₃粉体，加入到30ml含0.6g分散剂聚乙烯吡咯烷酮的乙醇/丁酮溶液中，以Al₂O₃为磨球，高能球磨3h；之后加入2.6g粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，5.2g塑性剂邻苯二甲酸甲苯基丁酯，高能球磨10h，得到陶瓷粉体浆料。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷阵列的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)按照陶瓷材料的组成分子式配料，得到陶瓷粉体，加入分散剂、粘结剂、溶剂，混合均匀，得到陶瓷粉体浆料；

(2)将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠，得到陶瓷膜叠层，在陶瓷膜叠层上按所需阵列图形进行激光切割，得到陶瓷膜阵列；

(3)将陶瓷膜阵列升温进行脱粘处理以除去粘结剂，最后进行高温烧结，得到陶瓷阵列。

2.如权利要求1所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的步骤(2)中，激光切缝宽度为0.1-1mm。

3.如权利要求1所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的步骤(2)具体由如下过程(a)、(b)、(c)组成：

(a)将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠至第一层叠厚度，得到第一陶瓷膜叠层；

(b)在第一陶瓷膜叠层表面继续层叠流延膜，并用激光沿层叠厚度方向将该流延膜按所需阵列图形进行切割；

(c)重复步骤(b)，直到第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到第二层叠厚度；或者，所述的步骤(2)具体如下：

将陶瓷粉体浆料流延成膜，再将流延膜上下层叠至总层叠厚度，得到陶瓷膜叠层，然后用激光沿层叠厚度方向将该陶瓷膜叠层按所需阵列图形进行切割，切割厚度小于所述的层叠厚度。

4.如权利要求3所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的总层叠厚度为8-25mm，所述的切割厚度为3-15mm。

5.如权利要求3所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的过程(c)中，当第一陶瓷膜叠层表面层叠的流延膜达到第二层叠厚度后，沿层叠厚度方向对流延膜加载压力，并进行保压；或者，沿层叠厚度方向对所述的陶瓷膜叠层施加压力，并进行保压。

6.如权利要求3所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的压力大小为1-30MPa，优选为10-20MPa，保压时间为1-10min，优选为2-5min。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的步骤(3)中，脱粘温度为500℃-1000℃，优选为500℃-800℃；在脱粘温度下进行保温处理，保温时间优选为1-5h，更优选为1-3h。

8.如权利要求1至6中任一权利要求所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的步骤(3)中，烧结温度为1500℃-1700℃，优选为1550℃-1650℃，保温时间为1-10h。

9.如权利要求1至6中任一权利要求所述的陶瓷阵列的制备方法，其特征是：所述的陶瓷材料为稀土发光离子掺杂且具有A₃B₄O₁₂石榴石结构的氧化物陶瓷。

10.利用权利要求1至6中任一权利要求所述的制备方法制得的陶瓷阵列用于CT探测器用闪烁陶瓷阵列。