CN113105233A - 一种大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法 - Google Patents
一种大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法。本发明方法包含以下主要步骤:粉体制备、浆料制备、素坯制备和陶瓷烧结。本发明还公开了三种由上述方法制备得到的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷。本发明采用水基Isobam凝胶体系,该体系方法简单易操作,通用性高,环保无毒,无需纯相粉体的制备即可实现大尺寸、复杂形状、高透过率的锆酸镧钆透明陶瓷的工业化制备,满足高折射率光学镜头、红外窗口、闪烁体材料和综合屏蔽窗口领域等应用领域的要求。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料技术领域,涉及一种透明陶瓷材料的制备方法,具体涉及基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法。
背景技术
透明陶瓷是一种利用陶瓷材料光学性质的新型陶瓷,除具有传统陶瓷耐腐蚀、耐高温、电绝缘好典型特性外,兼具玻璃的光学特性。与单晶相比,透明陶瓷制造成本低、易于大批量生产,可以制成尺寸较大、形状复杂的制品;而与玻璃相比,透明陶瓷具有强度和硬度高、光学透过范围大、导热性好、耐腐蚀、可以实现活性离子的高浓度均匀掺杂等特点。因此透明陶瓷广泛应用于光学材料(P.Hartmann,R.Jedamzik,S.Reichel,and B.Schreder,Appl.Opt.,AO 49,D157(2010).)、高能激光(J.Li,Y.Pan,Y.Zeng,W.Liu,B.Jiang,andJ.Guo,International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 39,44(2013).、闪烁体(S.F.Wang,J.Zhang,D.W.Luo,F.Gu,D.Y.Tang,Z.L.Dong,G.E.B.Tan,W.X.Que,T.S.Zhang,S.Li,and L.B.Kong,Progress in Solid State Chemistry 41,20(2013).)、装甲窗口(J.A.Salem,J.Am.Ceram.Soc.96,281(2013).)等领域。
锆酸镧钆透明陶瓷是一种近年发明的一种新型陶瓷材料。与传统透明陶瓷材料(例如Al2O3、YAG、尖晶石、AlON等)相比,锆酸镧钆透明陶瓷具有较高的理论密度和高原子序数,表现出高的折射率(>2.10)、宽的红外波段透过范围(截止波长8.0μm),以及较强的X射线和γ射线停止能力等优异特性,在高折射率光学镜头、红外窗口、闪烁体材料和综合屏蔽窗口领域有着潜在应用(Z.Wang,G.Zhou,D.Jiang,and S.Wang,Journal of AdvancedCeramics 7,289(2018).)。因此,制备出满足上述领域潜在应用的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷具有重大的实际意义。
目前关于锆酸镧钆透明陶瓷的制备工艺的研究主要集中在粉体制备技术上。Wang等人(Z.Wang,G.Zhou,X.Qin,Y.Yang,G.Zhang,Y.Menke,and S.Wang,Journal of theEuropean Ceramic Society 33,643(2013).)首先通过燃烧法制备出LaGdZr2O7纯相粉体;Gui等人(D.-Y.Gui,Z.-K.Cao,W.Han,J.-Q.Qi,T.-C.Lu,Y.Zou,and C.-H.Wang,CeramicsInternational 44,7006(2018).)采用共沉淀法制备出LaGdZr2O7纯相粉体,提高了锆酸镧钆透明陶瓷的透过率;Han等人(W.Han,Z.Tang,N.Ma,S.Peng,N.Wei,Z.Huang,Y.Yang,J.Qi,and T.Lu,Journal ofAlloys and Compounds 771,944(2019).)和Zhao等人(W.Zhao,K.Zhang,W.Li,T.Deng,B.Luo,and H.Zhang,Ceramics International 45,20078(2019).)采用固相法制备LaGdZr2O7前驱粉体并优化球磨和烧结技术,进一步提高了锆酸镧钆透明陶瓷的透过率。上述研究探索出多种锆酸镧钆透明陶瓷的粉体制备工艺,制备出直径为10~20mm,可见波段区间透过率为60%~75%的锆酸镧钆透明陶瓷薄片样品。
在专利方面,中国专利CN102815945B公开了一种锆酸镧钆透明陶瓷材料及其制备方法,其采用甘氨酸-硝酸盐燃烧法制备锆酸镧钆(LaGdZr2O7)粉体;中国专利CN107285770B公开了一种纯度高形貌均匀的锆酸镧钆粉体及透明陶瓷制备方法,其采用共沉淀法制备稀土锆酸盐材料粉体(Ln2Zr2O7)。上述专利公开的粉体制备方法可以制备出较精细、团聚小、活性高的锆酸镧钆粉体,有利于制备出透过率高的锆酸镧钆透明陶瓷。然而,燃烧法和共沉淀法需要多种辅助试剂参与化学反应,操作较为复杂,并对环境有污染,工业化生产较为困难。
然而,另一项重要的透明陶瓷制备工艺——陶瓷成形工艺研究仍停留在采用干压法制备小尺寸固定形状样品的阶段。上述的研究和专利均采用干压法制备陶瓷素坯,原理为粉体在机械外力作用下聚合成固定形状陶瓷素坯,虽然干压法具有工艺成熟,操作简单,成型时间短的优点,但其原理决定了干压法制备出的陶瓷素坯强度低,易开裂变形,实现大尺寸和复杂形状较为困难,无法满足实际需求。
综上所述,现有的研究和发明至今没有解决“大批量制备大尺寸和复杂形状的锆酸镧钆透明陶瓷”的问题。
发明内容
本发明目的就是为了解决上述问题,而提供一种基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法。本发明所述制备方法包括以下步骤:
(1)粉体制备:将原料氧化锆、氧化镧和氧化钆粉末按所需摩尔比例加入乙醇或其他有机溶剂中混合均匀;将混合均匀后的溶液与一定质量比例的2mm球磨球一起放入行星球磨机中球磨,至溶液分散均匀且中无明显颗粒聚集后置入干燥箱中干燥;待完全干燥后将得到的固体颗粒研磨并在200目塑料筛网中过筛,随后在马弗炉中空气环境下焙烧,去除残留的有机溶液;遂得到锆酸镧钆前驱粉体。
(2)浆料制备:将步骤(1)的前驱粉体与异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)、柠檬酸铵(TAC)和去离子水按一定质量均匀混合,配成浆料,随后对浆料进行球磨,直至浆料表现为稳定无团聚,流动性好;随后利用真空除泡机在真空环境下搅拌,去除浆料中溶解的空气和球磨形成的气泡。
(3)素坯制备:将浆料倒入聚合物或玻璃模具后,随后分别在室内环境和干燥箱中进行干燥,形成素坯;将素坯在马弗炉中空气环境下焙烧,去除残留的水分、异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)和柠檬酸铵(TAC);将焙烧后的素坯置于冷等静压机中加压密实,获得致密素坯。
(4)陶瓷烧结:将致密素坯埋入氧化锆粉末中,置入真空烧结炉,在高真空环境下高温烧结,致密素坯发生高温固相反应,得到纯相陶瓷;将纯相陶瓷在马弗炉中空气环境下进行退火处理,并使用抛光机和金刚砂研磨膏镜面精细抛光,最终得到锆酸镧钆透明陶瓷。
进一步的是,步骤(1)中所述镧、钆和锆摩尔比例为x:(2-x):2(0≤x≤2),化学式为:La2Zr2O7、La0.2Gd1.8Zr2O7、La0.4Gd1.6Zr2O7、La0.6Gd1.4Zr2O7、La0.8Gd1.2Zr2O7、LaGdZr2O7、La1.2Gd0.8Zr2O7、La1.4Gd0.6Zr2O7、La1.6Gd0.4Zr2O7、La1.8Gd0.2Zr2O7、Gd2Zr2O7等;原料粉体质量之和与球磨球质量之和之比为1:20~1:30。
进一步的是,步骤(1)中所述前驱粉体球磨转速为250rpm,球磨时间为18~24h。
进一步的是,步骤(1)中所述前驱粉体干燥温度为60℃,干燥时间为12~36h;前驱粉体焙烧温度为600~900℃,焙烧时间为3~6小时。
进一步的是,步骤(2)和步骤(3)中的室内环境温度为20~25℃,相对湿度为10~30%。
进一步的是,步骤(2)中所述异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)相对于前驱粉体质量百分数为0.8~1.5%wt;柠檬酸铵(TAC)相对于前驱粉体质量百分数为0.3~0.5%wt;浆料中前驱粉体、异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)和柠檬酸铵(TAC)质量之和相对于去离子水质量百分数(浆料固含量)为60~70%wt。
进一步的是,步骤(2)中所述浆料球磨转速为100~150rpm,球磨时间为0.5~1h;真空除泡真空度为-0.1MPa大气压强,转速为120rpm,时间为5~15min。
进一步的是,步骤(3)中所述素坯室内环境干燥时间为24~36h,干燥箱干燥温度为50~70℃,时间为12~24h;焙烧温度为700~900℃,升降温速率为0.5~1.0℃/min,时间为10~15h。
进一步的是,步骤(3)中所述素坯冷等静压压力≥200MPa,时间为10~20min。
进一步的是,步骤(4)中所述真空烧结真空度为10-3~10-4Pa,烧结温度为1600~1900℃,时间为6~10h;退火温度为1000~1200℃,时间为2~5h。
进一步的是,步骤(4)中所述镜面抛光后表面粗糙度≤0.012。
本发明还公开了三种由上述的制备方法得到的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明提供的一步高温固相合成技术,无需合成纯相锆酸镧钆粉体,球磨后的原料氧化物粉体经过凝胶注模制成素坯,在陶瓷烧结程序中直接高温固相合成为纯相锆酸镧钆透明陶瓷,简化了生产操作程序,降低了生产成本,易于工业化批量生产。
(2)本发明提供的基于Isobam凝胶体系的凝胶注模陶瓷成型法利用异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)和柠檬酸铵(TAC)的化学反应,使浆料交联聚合成三维网状结构,从而使浆料中的前驱粉末颗粒原位固化成型。此方法添加物少且环保无毒,得到的陶瓷素坯强度高且均匀,易脱模,不开裂,并可通过更换模具来制备不同尺寸、形状的陶瓷素坯,解决了传统陶瓷成型法无法制备复杂形状素坯的问题。
(3)本发明提供了基于Isobam凝胶体系的凝胶注模陶瓷成型法的前驱粉体、异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)、柠檬酸铵(TAC)和去离子水的添加比例,从而使陶瓷浆料固含量高、流动性好,有利于陶瓷素坯的成型。
(4)本发明方法得到的锆酸镧钆透明陶瓷均匀性好,无杂质和气孔,致密度高,样品在可见光和红外波段区间的透过率可达到理论透过率的95%以上,截止波长可达8.0μm,在激光介质、红外窗口、高折射率光学镜头和综合屏蔽材料等领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1示出本发明的一个示例锆酸镧钆透明透明陶瓷材料在不同异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)含量下浆料粘度-剪切率关系图。
图2示出本发明的一个示例锆酸镧钆透明陶瓷材料在不同固含量下浆料粘度-剪切率关系图。
图3示出本发明的一个示例锆酸镧钆透明陶瓷材料(La0.4Gd1.2Zr2O7)大尺寸透明陶瓷实物照片。
图4示出本发明的一个示例锆酸镧钆透明陶瓷材料(LaGdZr2O7)大尺寸透明陶瓷实物照片。
图5示出本发明的一个示例锆酸镧钆透明陶瓷材料(LaGdZr2O7)复杂形状透明陶瓷实物照片。
图6示出本发明的一个示例锆酸镧钆透明陶瓷材料锆酸镧钆(LaGdZr2O7)透明陶瓷扫描电镜图片。
图7示出本发明的一个示例锆酸镧钆透明陶瓷材料锆酸镧钆(La0.4Gd1.6Zr2O7)透明陶瓷扫描电镜图片。
图8示出本发明的一个示例锆酸镧钆透明陶瓷材料锆酸镧钆(LaGdZr2O7)透明陶瓷的透过率曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明进行具体描述,有必要指出的是,以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明,并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种大尺寸复杂形状高透过率La0.4Gd1.6Zr2O7透明陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)粉体制备:将原料氧化锆、氧化镧和氧化钆粉末按按摩尔比例为4:0.6:1.4加入乙醇中混合均匀;将混合均匀后的溶液与质量为原料粉末25倍的2mm球磨球一起放入行星球磨机中以250rpm球磨24h,之后置入干燥箱中在60℃干燥20h;待完全干燥后将得到的固体颗粒研磨并在200目塑料筛网中过筛,随后在马弗炉中空气环境下900℃焙烧3h,得到前驱粉体。
(2)浆料制备:将步骤(1)的前驱粉体与异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)、柠檬酸铵(TAC)和去离子水按在浆料中的质量分数63wt%、1.2wt%、0.3wt%的比例均匀混合,配成浆料,随后以120rpm的速度球磨30min;随后利用真空除泡机在-0.1MPa大气压强下以120rpm的转速搅拌12min,去除浆料中溶解的空气和球磨形成的气泡。
(3)素坯制备:将浆料倒入聚合物模具后在室温环境下干燥24h,之后在50℃的干燥箱中干燥24h,形成干燥素坯;将素坯在马弗炉中空气环境下在800℃焙烧4h,升降温速率为1℃/min;将焙烧后的素坯置于冷等静压机中以200MPa的压力保持15min,获得致密素坯。
(4)陶瓷烧结:将致密素坯埋入氧化锆粉末中,置入真空烧结炉,待真空度达到5×10-3Pa后启动烧结程序,在1820℃烧结6h,得到纯相陶瓷;将纯相陶瓷在马弗炉中空气环境下1200℃退火处理4h,并使用抛光机和金刚砂研磨膏镜面精细抛光,使表面粗糙度达到0.012,最终得到锆酸镧钆透明陶瓷。
本实验例中研究了在实施例1的制备方法下,在不同异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)含量和固含量下浆料粘度-剪切率关系图,结果如图1和图2所示。从图中可以看出,异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)含量和固含量分别为1.0wt%和65wt%的浆料流动性最好,可知在此配比下获得优良性能的凝胶注模浆料。另外,对实施例1所得样品进行扫描电镜观察,由样品扫描电镜图片(图6)可知,样片表面光洁,无杂质和气孔。由样品实物照片(图3)和透过率曲线(图8)可知,样品底部文字和图案清晰可见,透过率最高可达75%,截止波长可达8.0μm,说明样品在可见光和红外波段均有良好的光学透过率。
实施例2
一种大尺寸复杂形状高透过率LaGdZr2O7透明陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)粉体制备:将原料氧化锆、氧化镧和氧化钆粉末按按摩尔比例为4:1:1加入乙醇中混合均匀;将混合均匀后的溶液与质量为原料粉末27倍的2mm球磨球一起放入行星球磨机中以250rpm球磨24h,之后置入干燥箱中在60℃干燥20h;待完全干燥后将得到的固体颗粒研磨并在200目塑料筛网中过筛,随后在马弗炉中空气环境下900℃焙烧2h,得到前驱粉体。
(2)浆料制备:将步骤(1)的前驱粉体与异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)、柠檬酸铵(TAC)和去离子水按在浆料中的质量分数65wt%、1.2wt%、0.3wt%的比例均匀混合,配成浆料,随后以120rpm的速度球磨30min;随后利用真空除泡机在-0.1MPa大气压强下以120rpm的转速搅拌1min,去除浆料中溶解的空气和球磨形成的气泡。
(3)素坯制备:将浆料倒入聚合物模具后在室温环境下干燥24h,之后在50℃的干燥箱中干燥24h,形成干燥素坯;将素坯在马弗炉中空气环境下在800℃焙烧4h,升降温速率为1℃/min;将焙烧后的素坯置于冷等静压机中以200MPa的压力保持15min,获得致密素坯。
(4)陶瓷烧结:将致密素坯埋入氧化锆粉末中,置入真空烧结炉,待真空度达到5×10-3Pa后启动烧结程序,在1850℃烧结6h,得到纯相陶瓷;将纯相陶瓷在马弗炉中空气环境下1200℃退火处理4h,并使用抛光机和金刚砂研磨膏镜面精细抛光,使表面粗糙度达到0.012,最终得到锆酸镧钆透明陶瓷。
本实验例中研究了在实施例2的制备方法下所得样品的表面微观形貌。由样品扫描电镜图片(图6)可知,样片表面光洁,无杂质和气孔。同时由样品实物照片(图4)可知,样品底部文字清晰可见,说明样品在可见光波段有良好的光学透过率。
实施例3
一种大尺寸复杂形状高透过率LaGdZr2O7透明陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)粉体制备:将原料氧化锆、氧化镧和氧化钆粉末按按摩尔比例为4:1:1加入乙醇中混合均匀;将混合均匀后的溶液与质量为原料粉末27倍的2mm球磨球一起放入行星球磨机中以250rpm球磨24h,之后置入干燥箱中在60℃干燥20h;待完全干燥后将得到的固体颗粒研磨并在200目塑料筛网中过筛,随后在马弗炉中空气环境下900℃焙烧2h,得到前驱粉体。
(2)浆料制备:将步骤(1)的前驱粉体与异丁烯马来酸酐共聚物(Isobam)、柠檬酸铵(TAC)和去离子水按在浆料中的质量分数60wt%、1.5wt%、0.5wt%的比例均匀混合,配成浆料,随后以120rpm的速度球磨30min;随后利用真空除泡机在-0.1MPa大气压强下以120rpm的转速搅拌10min,去除浆料中溶解的空气和球磨形成的气泡。
(3)素坯制备:将浆料倒入聚合物模具后在室温环境下干燥24h,之后在50℃的干燥箱中干燥24h,形成干燥素坯;将素坯在马弗炉中空气环境下在800℃焙烧4h,升降温速率为1℃/min;将焙烧后的素坯置于冷等静压机中以200MPa的压力保持15min,获得致密素坯。
(4)陶瓷烧结:将致密素坯埋入氧化锆粉末中,置入真空烧结炉,待真空度达到5×10-3Pa后启动烧结程序,在1850℃烧结6h,得到纯相陶瓷;将纯相陶瓷在马弗炉中空气环境下1200℃退火处理4h,并使用抛光机和金刚砂研磨膏镜面精细抛光,使表面粗糙度达到0.012,最终得到复杂形状锆酸镧钆透明陶瓷。
本实验例中研究了在实施例3的制备方法下制备出的复杂形状锆酸镧钆透明陶瓷的外观形貌。由样品实物照片(图5)可知,样品表面具有未经后期加工的复杂图案,说明可通过改变模具形状来改变锆酸镧钆透明陶瓷的形状,从而制备出复杂形状的锆酸镧钆透明陶瓷;同时,样品后的图案清晰可见,说明样品在可见光波段有良好的光学透过率。
综上,本发明提供了一种基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,无需制备粉体,简单易操作,重复性好,具有通用性,实现大尺寸、复杂形状的高透过率锆酸镧钆透明陶瓷的工业化制备。
Claims (10)
1.一种基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1)粉体制备:将原料氧化锆、氧化镧和氧化钆粉末按所需摩尔比例加入乙醇或其他有机溶剂中混合均匀;将混合均匀后的溶液与特定质量比例的2mm球磨球一起放入行星球磨机中球磨,至溶液分散均匀后置入干燥箱中干燥;待溶液完全干燥后将得到的固体颗粒研磨并在200目塑料筛网中过筛,随后使用马弗炉在空气环境中焙烧,去除残留的有机溶液,得到锆酸镧钆前驱粉体;
(2)浆料制备:将步骤(1)的前驱粉体与异丁烯马来酸酐共聚物、柠檬酸铵和去离子水按一定质量均匀混合,配成浆料;随后对浆料进行球磨,直至浆料表现为稳定无团聚,具有较好的流动性;随后利用真空除泡机在真空环境下搅拌,去除浆料中溶解的空气和球磨形成的气泡;
(3)素坯制备:将浆料倒入聚合物或玻璃模具后,按顺序在室内环境和干燥箱中进行干燥,形成素坯;将素坯用马弗炉在空气环境中焙烧,去除残留的水分、异丁烯马来酸酐共聚物和柠檬酸铵;将焙烧后的素坯置于冷等静压机中加压密实,获得致密素坯;
(4)陶瓷烧结:将致密素坯埋入氧化锆粉末中,置入真空烧结炉,在真空环境下高温烧结,使致密素坯发生高温固相反应,得到纯相陶瓷;将纯相陶瓷用马弗炉在空气环境中进行退火处理,并使用抛光机和金刚砂研磨膏进行精细镜面抛光,最终得到锆酸镧钆透明陶瓷。
2.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中镧、钆、锆的摩尔比例为x:(2-x):2,0≤x≤2;优选的,所述锆酸镧钆的化学式包括:La2Zr2O7、La0.2Gd1.8Zr2O7、La0.4Gd1.6Zr2O7、La0.6Gd1.4Zr2O7、La0.8Gd1.2Zr2O7、LaGdZr2O7、La1.2Gd0.8Zr2O7、La1.4Gd0.6Zr2O7、La1.6Gd0.4Zr2O7、La1.8Gd0.2Zr2O7、Gd2Zr2O7;其中原料粉体质量之和与球磨球质量之和的比例为1:20~1:30。
3.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中所述前驱粉体球磨转速为250rpm,球磨时间为18~24h。
4.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中前驱粉体干燥温度为60℃,干燥时间为12~36h;前驱粉体焙烧温度为600~900℃,焙烧时间为3~6小时。
5.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中的室内环境温度为20~25℃,相对湿度为10~30%。
6.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中异丁烯马来酸酐共聚物相对于前驱粉体质量百分数为0.8~1.5%wt;柠檬酸铵相对于前驱粉体质量百分数为0.3~0.5%wt;浆料中前驱粉体、异丁烯马来酸酐共聚物和柠檬酸铵质量之和相对于去离子水质量百分数为60~70%wt。
7.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中浆料球磨转速为100~150rpm,球磨时间为0.5~1h;真空除泡真空度为-0.1MPa大气压强,转速为120rpm,时间为5~15min。
8.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中素坯室内环境干燥时间为24~36h,干燥箱干燥温度为50~70℃,时间为12~24h;焙烧温度为700~900℃,升降温速率为0.5~1.0℃/min,时间为10~15h。
9.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中素坯冷等静压压力≥200MPa,时间为10~20min。
10.根据权利要求1所述的基于Isobam凝胶体系的大尺寸复杂形状高透过率锆酸镧钆透明陶瓷制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中真空烧结真空度为10-3~10-4Pa,烧结温度为1600~1900℃,时间为6~10h;退火温度为1000~1200℃,时间为2~5h;优选的,所述步骤(4)中镜面抛光后表面粗糙度≤0.012。
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
CN114133226A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-03-04 | 苏州晶生新材料有限公司 | 一种光学镀层基材及使用方法 |
CN114180968A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-15 | 大连海事大学 | 一种快速水基注浆成型制备AlON透明陶瓷的方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102815945A (zh) * | 2012-09-13 | 2012-12-12 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 锆酸镧钆透明陶瓷材料及其制备方法 |
CN109053182A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-12-21 | 徐州市江苏师范大学激光科技有限公司 | 一种采用Isobam凝胶注模制备YAG基多层复合结构透明陶瓷的方法 |
CN111253153A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-06-09 | 新沂市锡沂高新材料产业技术研究院有限公司 | 一种基于Isobam凝胶体系制备增韧大尺寸超薄YAG透明陶瓷素坯的方法 |
-
2021
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102815945A (zh) * | 2012-09-13 | 2012-12-12 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 锆酸镧钆透明陶瓷材料及其制备方法 |
CN109053182A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-12-21 | 徐州市江苏师范大学激光科技有限公司 | 一种采用Isobam凝胶注模制备YAG基多层复合结构透明陶瓷的方法 |
CN111253153A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-06-09 | 新沂市锡沂高新材料产业技术研究院有限公司 | 一种基于Isobam凝胶体系制备增韧大尺寸超薄YAG透明陶瓷素坯的方法 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114180968A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-15 | 大连海事大学 | 一种快速水基注浆成型制备AlON透明陶瓷的方法 |
CN114180968B (zh) * | 2021-12-09 | 2023-08-11 | 大连海事大学 | 一种快速水基注浆成型制备AlON透明陶瓷的方法 |
CN114133226A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-03-04 | 苏州晶生新材料有限公司 | 一种光学镀层基材及使用方法 |
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