CN110526712B - 一种掺杂yag透明陶瓷及其制备方法与用途 - Google Patents

一种掺杂yag透明陶瓷及其制备方法与用途 Download PDF

Info

Publication number
CN110526712B
CN110526712B CN201810507570.8A CN201810507570A CN110526712B CN 110526712 B CN110526712 B CN 110526712B CN 201810507570 A CN201810507570 A CN 201810507570A CN 110526712 B CN110526712 B CN 110526712B
Authority
CN
China
Prior art keywords
transparent ceramic
temperature
yag transparent
sintering
ball milling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810507570.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110526712A (zh
Inventor
郭旺
龚财
黄集权
陈剑
黄秋凤
邓种华
刘著光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Original Assignee
Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS filed Critical Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority to CN201810507570.8A priority Critical patent/CN110526712B/zh
Publication of CN110526712A publication Critical patent/CN110526712A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110526712B publication Critical patent/CN110526712B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/44—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/50—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on rare-earth compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/443—Nitrates or nitrites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9646—Optical properties
    • C04B2235/9653—Translucent or transparent ceramics other than alumina

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)

Abstract

本发明公开了一种掺杂YAG透明陶瓷及其制备方法与用途。通过采用固相成型方法并在真空高温烧结的条件下，首次得到透过率较高的掺杂YAG透明陶瓷。制备得到的掺杂YAG透明陶瓷具有高温稳定性和光学性能。在制备过程中，采用粘结剂和球磨溶剂加入到原料的混合氧化物中，同时添加低价态的烧结助剂如CaO和/或MgO，所述烧结助剂用于稳定U4+和/或U6+，且用Ca2+或Mg2+和高价态的掺杂U4+和/或U6+来稳定要取代的Y3+位置，再将素坯采用真空烧结方式，在较低的温度下得到透明的掺杂YAG透明陶瓷。当添加CaO和/或MgO作为烧结助剂时，其能与烧结物形成固溶体时，使晶格畸变而得到活化形成填隙型固溶体或缺位型固溶体，可降低烧结温度，有助于烧结，可以达到较高的活性。

Description

一种掺杂YAG透明陶瓷及其制备方法与用途
技术领域
本发明属于YAG陶瓷合成领域，特别涉及一种掺杂YAG透明陶瓷及其制备方法与用途。
背景技术
中子属于中性的粒子，不带电荷，不跟电子发生作用，因此不能直接被电离，故很难被探测到。但是它们可以通过与原子核相互作用产生电离二次粒子来记录。此外，很多中子探测设备因受伽马射线背景的存在也会产生影响。然而在实际生活应用中，我们希望能够尽可能地减少伽马射线背景在探测器中的信号干扰。解决的方法例如可以是使用具有较低伽马射线灵敏度的探测器，这类探测器使用的原子系数较低，能够较好区分背景信号。目前中子探测应用比较广泛的是3He气体探测器，但由于3He气体丰度低，同时市场资源有限，供不应求，价格一路攀升。因此，在研究中子探测器的基础上加强对其他材料的探测器研究，成为了很多人关注的议题。
钇铝石榴石(Y3Al5O12，简称YAG)，一直被认为是作为探测器最好的材料之一，这是由于其高密度(4.56g/cm3)，拥有优异的热能和化学稳定性，机械性能和光学透明度。与其他探测器材料相比，YAG体系的透明陶瓷因其制备工艺简单，成本较低，能够根据器件要求制成所需的尺寸和形状等优势而更具备应用价值。
然而，现有的稀土掺杂YAG透明陶瓷，如单掺Nd:YAG、Ce:YAG等作为激光陶瓷和荧光陶瓷，因中子能量大，不能探测到中子能量，还尚未有价值应用。而共掺的YAG透明陶瓷，如Li,Ce:YAG，虽然在中子探测方面有一定的价值，然而6Li丰度低、浓缩价格高，且目前此材料没有相关的中子探测数据。
发明内容
为改善上述问题，本发明提供一种掺杂YAG透明陶瓷及其制备方法与用途，所述掺杂YAG透明陶瓷具有优异的热能和化学稳定性，机械性能和光学透明性，并且在所述方法中，固相合成法制备工艺简单，周期较短，成本较低，能够在较低的温度下得到透明的掺杂YAG透明陶瓷。
本发明提供如下技术方案：
一种掺杂YAG透明陶瓷，其中，所述掺杂YAG透明陶瓷的化学式为(Y1-x-yUxCey)3Al5O12，0<x<0.3，0≤y<0.3。
优选地，x的取值范围为0.0001-0.2，y的取值范围为0-0.2。
优选地，x的取值范围为0.001-0.1，y的取值范围为0-0.1。
优选地，x的取值范围为0.001-0.05，y的取值范围为0.0001-0.05。
优选地，x的取值范围为0.001-0.01，y的取值范围为0.001-0.01。
根据本发明，所述掺杂YAG透明陶瓷的透过率为74％以上；例如为79.04％、78.79％、78.76％、74.71％或80.24％。
本领域技术人员应当理解，所述掺杂YAG透明陶瓷，其结构主要是YAG相，原因是掺杂的含量相对比较低，未对主结构有影响。作为自然界中最重的元素，铀(U)是核分裂的参与者，这是中子检测最适合的候选之一。
本发明还提供一种掺杂YAG透明陶瓷的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)将(i)Y2O3，(ii)Al2O3，(iii)CeO2，和(iv)UO2和/或UO2(NO3)2·6H2O按照化学组成(Y1-x-yUxCey)3Al5O12进行混合，得到原料混合物；再将其与粘结剂、烧结助剂和溶剂混合，得到混合体系；
2)将步骤1)的混合体系进行球磨，初压，排胶，冷等静压；
3)将步骤2)的产物进行真空烧结，得到所述掺杂YAG透明陶瓷。
根据本发明，所述烧结助剂选自MgO和/或CaO；例如选自MgO或选自CaO。
本领域技术人员可以理解，陶瓷在烧结过程中Mg2+改变的是YAG中Al3+的晶格位置，而Ca2+改变的是YAG中Y3+的晶格位置。
根据本发明，所述烧结助剂的添加量为原料混合物中金属离子总摩尔量的0.1-3％。
优选地，所述金属离子为Y3+、Al3+、Ce4+、和U4+和/或U6+。
根据本发明，所述粘结剂的添加量为所述混合体系总重量的0.1-2wt％，优选为0.5-1wt％。
根据本发明，所述粘结剂为油酸(化学式为C18H34O2)。本领域技术人员应当理解，所述粘结剂可以在球磨时将不同的原料连接在一起，且通过球磨溶剂的配合使用，可以增强混合浆料的粘结性，同时在初压过程中也可以保证产物不发生开裂等现象。
根据本发明，步骤2)具体包括如下步骤：
2’)将步骤1)中的混合体系进行球磨，烘干，初压，排胶，冷等静压；
根据本发明，步骤2)具体包括如下步骤：
2”)将步骤1)中的混合体系进行球磨，烘干，研磨，过筛，初压，排胶，冷等静压；
根据本发明，所述球磨处理采用本领域技术人员公知的方法进行，例如在球磨过程中加入无水乙醇用作球磨溶剂，加入氧化铝球作为球磨介质；且所述无水乙醇和氧化铝球与混合体系中的各组分均不发生反应。
优选地，所述无水乙醇的加入量为步骤1)的原料混合物质量的70-95wt％，例如为85％或90％；
优选地，所述氧化铝球与步骤1)的混合体系的质量比为2-5:1，例如为3:1；
优选地，所述球磨在球磨机中进行；
优选地，所述球磨处理的球磨填充率为45-80％，例如为50％或60％；
优选地，所述球磨处理的时间没有特别的限定，保证球磨后的产物的粒径能通过筛孔尺寸在50-150μm范围的筛网即可；优选地，所述球磨处理的时间为18-36h，例如为24h；
本领域技术人员可以理解，所述球磨处理的目的能够细化较大原料外，最主要的作用是将能够原料均匀混合，可以有效减小样品烧结后的分相概率。
优选地，所述烘干的温度为45-75℃。优选地，所述烘干的时间为10-30小时。
根据本发明，所述研磨的目的是进一步对球磨后的产物的粒径进行控制，优选使得研磨后的产物的粒径可以通过筛孔尺寸在50-150μm的筛网。
根据本发明，所述初压在钢模中进行。
根据本发明，所述初压的压力为20～60MPa。所述初压的时间为5-30s，例如为10s。
根据本发明，所述排胶在氧气气氛下进行。所述氧气气氛可以是纯氧气氛，也可以是含氧的气氛，例如为空气气氛。
本领域技术人员知晓的，所述排胶过程时若不断有氧气通入，排胶会比较彻底；例如氧气的流量控制在140-180ml/min范围内。当然，此时所述的氧气气氛也可以选择空气。
根据本发明，所述排胶的温度为200-1000℃，优选为400-800℃。
优选地，所述排胶过程的升温过程分为两段进行，第一阶段中，从室温升温到200-400℃，升温速率≤200℃/h(例如为170-190℃/h)；第二阶段中，从200-400℃升温到800-1000℃，升温速率≤150℃/h(例如为100-140℃/h)。
根据本发明，所述排胶的时间为5-15小时。
根据本发明，所述冷等静压的压力为100-300MPa，优选为150-250MPa。
根据本发明，所述冷等静压的处理时间为100-150s，例如为120s。
本领域技术人员应当理解，经过步骤2)处理后的产品可以称之为素坯。所述冷等静压的目的是为了获得致密性更好的素坯。
根据本发明，步骤3)具体包括如下步骤：
3’)将步骤2)的产物进行真空烧结，退火，抛光，得到所述掺杂YAG透明陶瓷。
根据本发明，所述真空烧结的温度为1750-1950℃，优选为1800-1910℃。
根据本发明，所述真空烧结的时间为10-30小时。
根据本发明，所述真空烧结的真空度至少为10-5Pa，例如为10-2-10-5Pa，优选为10-2-10-3Pa。其中，在真空条件下进行烧结有利于排除气孔。
本发明还提供上述掺杂YAG透明陶瓷的用途，其用在中子探测，高能物理，医学器材领域中。
优选地，可作为材料学、生物学和物理学中的中子探测闪烁体。
有益效果
本发明所述的掺杂YAG透明陶瓷透过率较高，且具有高温稳定性和光学性能。238U作为核分裂的重要的元素，在中子探测领域具有潜在的应用价值，且238U在自然状态下放射性可以忽略不计。铈(Ce)引入后，中子与铀发生裂变反应产生的高能碎片可以轰击Ce离子而产生人肉眼可观察到的可见光，进而可以推算中子的能量。
本发明通过采用固相成型方法并在真空高温烧结的条件下，得到透过率较高的掺杂YAG透明陶瓷。在制备过程中，采用粘结剂和球磨溶剂无水乙醇加入到原料的混合氧化物中，同时添加低价态的烧结助剂如CaO和/或MgO，所述烧结助剂用于稳定U4+和/或U6+，且用Ca2+或Mg2+和高价态的掺杂U4+和/或U6+来稳定要取代的Y3+位置，最后将素坯采用真空烧结方式，在较低的温度下可以得到透明的掺杂YAG透明陶瓷。并且，当添加CaO和/或MgO作为烧结助剂时，其能与烧结物形成固溶体时，使晶格畸变而得到活化形成填隙型固溶体或缺位型固溶体，可降低烧结温度，有助于烧结，可以达到较高的活性。
附图说明
图1为本发明实施例1-5的掺杂YAG透明陶瓷的实物图。
图2为本发明实施例1-5的掺杂YAG透明陶瓷的X射线衍射图。
图3是实施例3制备得到的铈铀共掺YAG透明陶瓷的扫描电镜图。
图4是利用14MeV的中子能量分别轰击实施例3-5的掺杂YAG透明陶瓷的前后效果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。
实施例1
将Y2O3，Al2O3，CeO2和UO2(NO3)2·6H2O按照化学组成(Y1-x-yUxCey)3Al5O12进行称取并混合，得到混合氧化物，其中x＝0.002，y＝0；再加入占混合氧化物中金属离子(Y3+、Al3+、Ce4 +、U6+)总摩尔量0.5％的CaO作为烧结助剂，用无水乙醇做球磨溶剂，无水乙醇质量为所述混合氧化物质量的90％，同时添加占混合体系(包括混合氧化物、烧结助剂和球磨溶剂)总质量的0.5wt％的粘结剂C18H34O2溶解在无水乙醇中，球磨氧化铝球与混合体系的质量比为3:1，球磨填充率为60％，球磨24h，球磨后在55℃下干燥，然后过筛网，尺寸在50-150μm的筛网。
对过筛后的粉体在钢模中20MPa下初压10s，成型，然后在氧气气氛下，以180℃/h的升温速率从室温下升至400℃，随后以120℃/h的升温速率从400℃升温至800℃，在此温度下进行排胶保温10小时后自然降温，再经过200MPa冷等静压，保压120s后进一步致密，得到素坯；
将素坯在真空度10-2-10-3Pa下，在1910℃烧结，保温20h。然后退火，并经过研磨抛光之后，最终得到铀单掺YAG透明陶瓷。
实施例2
将Y2O3，Al2O3，CeO2和UO2(NO3)2·6H2O按照化学组成(Y1-x-yUxCey)3Al5O12进行称取并混合，得到混合氧化物，其中x＝0.002，y＝0.0001；再加入占混合氧化物中金属离子(Y3+、Al3+、Ce4+、U6+)总摩尔量0.5％的CaO作为烧结助剂，用无水乙醇做球磨溶剂，无水乙醇质量为所述混合氧化物质量的90％，同时添加占混合体系(包括混合氧化物、烧结助剂和球磨溶剂)总质量的0.5wt％的粘结剂C18H34O2溶解在无水乙醇中，球磨氧化铝球与混合体系的质量比为3:1，球磨填充率为60％，球磨24h，球磨后在55℃下干燥，然后过筛网，尺寸在50-150μm的筛网。
对过筛后的粉体在钢模中20MPa下初压10s，成型，然后在氧气气氛下，以180℃/h的升温速率从室温下升至400℃，随后以120℃/h的升温速率从400℃升温至800℃，在此温度下进行排胶保温10小时后自然降温，再经过200MPa冷等静压，保压120s后进一步致密，得到素坯；
将素坯在真空度10-2-10-3Pa下，在1910℃烧结，保温20h。然后退火，并经过研磨抛光之后，最终得到铀铈掺杂的YAG透明陶瓷。
实施例3
将Y2O3，Al2O3，CeO2和UO2(NO3)2·6H2O按照化学组成(Y1-x-yUxCey)3Al5O12进行称取并混合，得到混合氧化物，其中x＝0.002，y＝0.0005；再加入占混合氧化物中金属离子(Y3+、Al3+、Ce4+、U6+)总摩尔量0.5％的CaO作为烧结助剂，用无水乙醇做球磨溶剂，无水乙醇质量为所述混合氧化物质量的90％，同时添加占混合体系(包括混合氧化物、烧结助剂和球磨溶剂)总质量的0.5wt％的粘结剂C18H34O2溶解在无水乙醇中，球磨氧化铝球与混合体系的质量比为3:1，球磨填充率为60％，球磨24h，球磨后在55℃下干燥，然后过筛网，尺寸在50-150μm的筛网。
对过筛后的粉体在钢模中20MPa下初压10s，成型，然后在氧气气氛下，以180℃/h的升温速率从室温下升至400℃，随后以120℃/h的升温速率从400℃升温至800℃，在此温度下进行排胶保温10小时后自然降温，再经过200MPa冷等静压，保压120s后进一步致密，得到素坯；
将素坯在真空度10-2-10-3Pa下，在1910℃烧结，保温20h。然后退火，并经过研磨抛光之后，最终得到铀铈掺杂的YAG透明陶瓷。
实施例4
将Y2O3，Al2O3，CeO2和UO2(NO3)2·6H2O按照化学组成(Y1-x-yUxCey)3Al5O12进行称取并混合，得到混合氧化物，其中x＝0.002，y＝0.001；再加入占混合氧化物中金属离子(Y3+、Al3 +、Ce4+、U6+)总摩尔量0.5％的CaO作为烧结助剂，用无水乙醇做球磨溶剂，无水乙醇质量为所述混合氧化物质量的90％，同时添加占混合体系(包括混合氧化物、烧结助剂和球磨溶剂)总质量的0.5wt％的粘结剂C18H34O2溶解在无水乙醇中，球磨氧化铝球与混合体系的质量比为3:1，球磨填充率为60％，球磨24h，球磨后在55℃下干燥，然后过筛网，尺寸在50-150μm的筛网。
对过筛后的粉体在钢模中20MPa下初压10s，成型，然后在氧气气氛下，以180℃/h的升温速率从室温下升至400℃，随后以120℃/h的升温速率从400℃升温至800℃，在此温度下进行排胶保温10小时后自然降温，再经过200MPa冷等静压，保压120s后进一步致密，得到素坯；
将素坯在真空度10-2-10-3Pa下，在1910℃烧结，保温20h。然后退火，并经过研磨抛光之后，最终得到铀铈掺杂的YAG透明陶瓷。
实施例5
将Y2O3，Al2O3，CeO2和UO2(NO3)2·6H2O按照化学组成(Y1-x-yUxCey)3Al5O12进行称取并混合，得到混合氧化物，其中x＝0.002，y＝0.002；再加入占混合氧化物中金属离子(Y3+、Al3 +、Ce4+、U6+)总摩尔量0.5％的CaO作为烧结助剂，用无水乙醇做球磨溶剂，无水乙醇质量为所述混合氧化物质量的90％，同时添加占混合体系(包括混合氧化物、烧结助剂和球磨溶剂)总质量的0.5wt％的粘结剂C18H34O2溶解在无水乙醇中，球磨氧化铝球与混合体系的质量比为3:1，球磨填充率为60％，球磨24h，球磨后在55℃下干燥，然后过筛网，尺寸在50-150μm的筛网。
对过筛后的粉体在钢模中20MPa下初压10s，成型，然后在氧气气氛下，以180℃/h的升温速率从室温下升至400℃，随后以120℃/h的升温速率从400℃升温至800℃，在此温度下进行排胶保温10小时后自然降温，再经过200MPa冷等静压，保压120s后进一步致密，得到素坯；
将素坯在真空度10-2-10-3Pa下，在1910℃烧结，保温20h。然后退火，并经过研磨抛光之后，最终得到铀铈掺杂的YAG透明陶瓷。
如图1所示，为本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5分别制备得到的铀单掺及铈铀共掺YAG透明陶瓷的实物图，从图1中可以看出，随着元素铈含量在所述原料比重中的增加(y＝0-0.002)，最终制备得到的掺杂YAG透明陶瓷的颜色从不添加Ce3+的青绿色逐渐变成黄绿色。具体地，实施例1制备的掺杂YAG透明陶瓷的颜色为青绿色；实施例2制备的掺杂YAG透明陶瓷的颜色为浅青黄；实施例3制备的掺杂YAG透明陶瓷的颜色为青黄色；实施例4制备的掺杂YAG透明陶瓷的颜色为黄色；实施例5制备的掺杂YAG透明陶瓷的颜色为深黄色；
实施例1-5的铈铀掺杂YAG透明陶瓷的透过率分别为79.04％、78.79％、78.76％、74.71％、80.24％。
如图2所示，分别是实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5的X射线衍射图。从图2中可以看出，与YAG的标准卡片PDF#33-0040相比，烧结得到的陶瓷样品物相整体为YAG相。
如图4所示，为利用14MeV的中子能量分别轰击实施例3-5中的掺杂YAG透明陶瓷的前后效果对比图。从图4中可以看出，在中子能量轰击共掺的Ce,U:YAG陶瓷中，随着铈掺杂浓度的增加发光强度也随着增强。
从上述实施例中可以看出，通过控制Ce的掺杂浓度梯度，可以验证中子探测的能量能够被Ce离子俘获。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (27)

1.一种掺杂YAG透明陶瓷，其特征在于，所述掺杂YAG透明陶瓷的化学式为(Y1-x-yUxCey)3Al5O12，0<x<0.3，0<y<0.3。
2.根据权利要求1所述的YAG透明陶瓷，其特征在于，x的取值范围为0.0001-0.2，y的取值范围为0-0.2，且y不包括0。
3.根据权利要求2所述的YAG透明陶瓷，其特征在于，x的取值范围为0.001-0.1，y的取值范围为0-0.1，且y不包括0。
4.根据权利要求3所述的YAG透明陶瓷，其特征在于，x的取值范围为0.001-0.05，y的取值范围为0.0001-0.05。
5.根据权利要求4所述的YAG透明陶瓷，其特征在于，x的取值范围为0.001-0.01，y的取值范围为0.001-0.01。
6.根据权利要求1-5任一项所述的YAG透明陶瓷，其特征在于，所述掺杂YAG透明陶瓷的透过率为74％以上。
7.权利要求1-6任一项所述的掺杂YAG透明陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)将(i)Y2O3，(ii)Al2O3，(iii)CeO2，和(iv)UO2和/或UO2(NO3)2·6H2O按照化学组成(Y1-x-yUxCey)3Al5O12进行混合，得到原料混合物；再将其与粘结剂、烧结助剂和溶剂混合，得到混合体系；
2)将步骤1)的混合体系进行球磨，初压，排胶，冷等静压；
3)将步骤2)的产物进行真空烧结，得到所述掺杂YAG透明陶瓷。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂选自MgO和/或CaO；所述烧结助剂的添加量为原料混合物中金属离子总摩尔量的0.1-3％。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述金属离子为Y3+、Al3+、Ce4+、和U4+和/或U6+。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂的添加量为所述混合体系总重量的0.1-2wt％。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为油酸。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)具体包括如下步骤：
2’)将步骤1)中的混合体系进行球磨，烘干，初压，排胶，冷等静压。
13.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)具体包括如下步骤：
2”)将步骤1)中的混合体系进行球磨，烘干，研磨，过筛，初压，排胶，冷等静压。
14.根据权利要求7、12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，在球磨过程中加入无水乙醇用作球磨溶剂；
所述无水乙醇的加入量为步骤1)的原料混合物质量的70-95wt％。
15.根据权利要求7、12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，所述球磨处理的球磨填充率为45-80％；
所述球磨处理的时间为18-36h。
16.根据权利要求12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为45-75℃；所述烘干的时间为10-30小时。
17.根据权利要求7、12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，所述初压的压力为20～60MPa；所述初压的时间为5-30s。
18.根据权利要求7、12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，所述排胶在氧气气氛下进行；所述氧气气氛是纯氧气氛，或者是含氧的气氛。
19.根据权利要求7、12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，所述排胶的温度为200-1000℃。
20.根据权利要求7、12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，所述排胶过程的升温过程分为两段进行，第一阶段中，从室温升温到200-400℃，升温速率≤200℃/h；第二阶段中，从200-400℃升温到800-1000℃，升温速率≤150℃/h。
21.根据权利要求7、12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，所述排胶的时间为5-15小时。
22.根据权利要求7、12-13任一项所述的制备方法，其特征在于，所述冷等静压的压力为100-300MPa；所述冷等静压的处理时间为100-150s。
23.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3)具体包括如下步骤：
3’)将步骤2)的产物进行真空烧结，退火，抛光，得到所述掺杂YAG透明陶瓷。
24.根据权利要求7或23所述的制备方法，其特征在于，所述真空烧结的温度为1750-1950℃，所述真空烧结的时间为10-30小时。
25.根据权利要求7或23所述的制备方法，其特征在于，所述真空烧结的真空度至少为10-5Pa。
26.权利要求1-7任一项所述的掺杂YAG透明陶瓷的用途，其用在中子探测，高能物理，医学器材领域中。
27.根据权利要求26所述的用途，其作为材料学、生物学和物理学中的中子探测闪烁体。
CN201810507570.8A 2018-05-24 2018-05-24 一种掺杂yag透明陶瓷及其制备方法与用途 Active CN110526712B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810507570.8A CN110526712B (zh) 2018-05-24 2018-05-24 一种掺杂yag透明陶瓷及其制备方法与用途

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810507570.8A CN110526712B (zh) 2018-05-24 2018-05-24 一种掺杂yag透明陶瓷及其制备方法与用途

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110526712A CN110526712A (zh) 2019-12-03
CN110526712B true CN110526712B (zh) 2021-02-19

Family

ID=68657914

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810507570.8A Active CN110526712B (zh) 2018-05-24 2018-05-24 一种掺杂yag透明陶瓷及其制备方法与用途

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110526712B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114149259A (zh) * 2021-11-24 2022-03-08 海南钇坤智能科技有限公司 一种抑制离子转变的激光陶瓷材料

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101781562A (zh) * 2010-01-28 2010-07-21 上海交通大学 铈铕共掺杂的钇铝石榴石及其制备荧光粉的方法
CN102007395A (zh) * 2008-04-17 2011-04-06 凯杰博登湖有限公司 荧光标准品及其应用
RU2584187C1 (ru) * 2015-01-19 2016-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук (ИХВВ РАН) Способ получения прозрачной керамики алюмоиттриевого граната

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102007395A (zh) * 2008-04-17 2011-04-06 凯杰博登湖有限公司 荧光标准品及其应用
CN101781562A (zh) * 2010-01-28 2010-07-21 上海交通大学 铈铕共掺杂的钇铝石榴石及其制备荧光粉的方法
RU2584187C1 (ru) * 2015-01-19 2016-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук (ИХВВ РАН) Способ получения прозрачной керамики алюмоиттриевого граната

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Synthesis of pure-phase uranium-doped YAG powder via co-precipitation method;Qinghua Zhang et al;《Materials Letters》;20161125;第188卷;第2节 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110526712A (zh) 2019-12-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101107206B (zh) 荧光陶瓷及其制备方法
JP7269994B2 (ja) 陽電子放出断層撮影のための透明セラミックガーネットシンチレーター検出器
CN108863340B (zh) 一种复合结构透明闪烁陶瓷及其制备方法
Xu et al. Fabrication, Microstructure, and Luminescent Properties of Ce 3+‐Doped Lu 3 Al 5 O 12 (Ce: LuAG) Transparent Ceramics by Low‐Temperature Vacuum Sintering
CN108218417A (zh) 一种低价态离子掺杂的LuAG:Ce,Me闪烁陶瓷及其制备方法
CN111039674B (zh) 一种固化trpo模拟废物的锆酸钆陶瓷及其制备方法
CN105418063B (zh) 一种非化学计量比镥铝石榴石闪烁陶瓷及其制备方法
CN107935581B (zh) 两相均匀分布的复合石榴石闪烁陶瓷及其制备方法
EP3050850B1 (en) Methods for producing a rare earth oxysulfide, ceramic scintillator, scintillator array and radiation detector
Kopylov et al. Fabrication and characterization of Eu3+-doped Lu2O3 scintillation ceramics
CN104557012A (zh) 一种Pr：LuAG闪烁陶瓷的制备方法
CN110526712B (zh) 一种掺杂yag透明陶瓷及其制备方法与用途
Hu et al. Fabrication and scintillation properties of Pr: Lu3Al5O12 transparent ceramics from co-precipitated nanopowders
Chen et al. Transparent Y 3 Al 5 O 12: Li, Ce ceramics for thermal neutron detection
CN114031403A (zh) 一种硫氧化钆闪烁陶瓷的制备方法及其硫氧化钆闪烁陶瓷的应用
CN110204336B (zh) 一种硫氧化钆粉体和闪晶陶瓷的制备方法
Fukushima et al. Investigation of scintillation properties of Hf-based oxide materials
CN103951206B (zh) 稀土离子掺杂的BaGdBr5微晶玻璃及其制备方法
CN115650726B (zh) 一种钆基石榴石闪烁陶瓷及其制备方法
Li et al. Scintillators
WO2024045938A1 (zh) 闪烁陶瓷及其制备方法和应用
JP7300127B2 (ja) シンチレータ及び撮像装置
CN103951226A (zh) 稀土离子掺杂的Sr2GdBr7微晶玻璃及其制备方法
CN116751047A (zh) 一种共掺杂镥铝石榴石闪烁陶瓷及其制备方法
CN117186891A (zh) 一种高品质因子的过渡金属元素掺杂石榴石构型铝酸盐闪烁材料及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant