材料化学期末论文 氧化钇透明陶瓷的研究进展.doc

材 料 化 学 期 末 论 文 论文题目：氧化钇透明陶瓷的研究进展 班级：08化学教育 姓名：武传龙氧化钇透明陶瓷的研究进展摘 要： Y2O3为立方结构，熔点高，化学和光化学稳定性好，光学透明性范围较宽，声子能量低，易实现稀土离子的掺杂。Y2O3透明陶瓷在高温窗口，红外头罩，发光介质(闪烁、激光和上转换发光)及半导体行业具有潜在应用价值，有些已获得实际应用。结合研究结果，本文重点介绍 Y2O3透明陶瓷制备工艺的研究进展，综合评述 Y2O3透明陶瓷在高压气体放电灯灯管、窗口材料、闪烁陶瓷、激光陶瓷、上转换发光等应用领域方面的研究，并对国内Y2O3 透明陶瓷的研发提出看法。关键词: 氧化钇 透明陶瓷 制备工艺 稀土掺杂 综合评述正文: 1、 引言 氧化钇（Y2O3）透明陶瓷材是一种高性能的陶瓷材料。它具有耐热、耐腐蚀、熔点高（2430），介电常数高等优良性能，且属于立方晶系，没有双折射现象，并且具有一般陶瓷所不具备的高顺磁性和荧光性质等，是一种性能优良的高温红外材料和电子材料1。可以广泛用作光学元件，如高温光学窗口、激光红外窗口、红外发射器管壳等。添加Nd、Yb、Ce、Ho等稀土元素后，Y2O3透明陶瓷还可以作为固体激光器的工作物质1. 透明陶瓷的有透光性不仅取决于其化学成分和晶系等内在因素。还与烧结体的组织结构有密切的关系，即烧结体内的微气孔、晶界散射、晶粒尺寸及其均匀度对陶瓷的透光有很大的影响，而烧结体的特 性不仅与粉体的性能有关，更与烧结工艺密不可分。室温下，Y2O3为稳定的 c 型立方结构, 晶格常数为 1.060 nm, 空间群为 Th7。每个单胞中包含 32个 Y3+和 48 个 O2。Y 离子格位存在两种不同的晶格环境，有 8 个高对称性的 S6(即 C3i)格位和 24 个低对称性的 C2格位。两种不同 Y 格位的配位数均为 6。 Y2O3的物理化学性质的主要特点是：1) 熔点高，化学和光化学稳定性好，光学透明性范围较宽(0.238.0m)；2) 在 1 050 nm 处，其折射率高达 1.89，使其具有 80%以上的理论透过率；3) Y2O3具有足以容纳大多数三价稀土离子发射能级的、较大的导带到价带的带隙，可以通过稀土离子的掺杂，实现发光性能的有效裁剪，从而实现其应用的多功能化；4) 声子能量低，其最大声子截止频率大约为550 cm1，低的声子能量可以抑制无辐射跃迁的几率，提高辐射跃迁的几率，从而提高发光量子效率；25) 热导率高，约为 13.6 W/(mK)，高的热导率对其作为固体激光介质材料极为重要。3上述特性使 Y2O3透明陶瓷在高温窗口、红外探测、发光介质、半导体行业具有潜在应用价值。本文结合研究结果，较为全面地总结 Y2O3透明陶瓷的制备工艺和应用研究等相关进展，并对国内 Y2O3透明陶瓷的研发提出看法。2氧化钇透明陶瓷的制备方法一种氧化钇透明陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：）在室温下，将浓度为的（）（溶液与浓度为的溶液混合，同时加入（），（）的加入量为离子摩尔浓度的倍，对混合溶液进行搅拌，上述混合过程中使用的滴定方式为反向滴定；）将上述反应后的溶液陈化小时；）用去离子水清洗从上述溶液过滤得到的沉淀物，除去反应附产物，再用无水乙醇清洗，除去沉淀物中的水分；）将清洗后的沉淀物在干燥小时，得到前驱物粉体；4）干燥前驱物粉体，然后对干燥后的前驱物粉体进行煅烧，煅烧温度为，保温时间为小时；）在煅烧后的粉体中添加质量百分比为的粉，然后在压强为下模压成型，再在温度为、压强为、真空度的环境下热压、然后退火，退火温度为，之后在温度为、压强为下进行热等静压，得到最终的氧化钇透明陶瓷。3 Y2O3透明陶瓷的应用研究 Y2O3因优异的物理化学性质被广泛应用并潜在开发，主要包括：弹的红外窗口和球罩、可见和红外透镜、高压气体放电灯、陶瓷闪烁体以及陶瓷激光器等领域。 2.1高压气体放电灯灯管 Y2O3具有立方相结构，光学性能各向同性，化学稳定性高，能耐金属钠蒸气和其他金属卤化物蒸气腐蚀，很早以来，人们就期望将其应用于高强度气体放电灯领域。文献5的 Yttalox 具有优良的光学性能，然而由于其晶粒尺寸高达 100m，使机械性能很差；且 ThO2具有放射性，限制了实际应用。Wei11将 La2O3增强 Y2O3制成陶瓷金属卤化物灯灯管.虽然 La2O3掺杂在一定程度上改善 Y2O3透明陶瓷机械强度，然而其抗弯强度仍然不到 100 MPa，且降低了材料的热导率，因此到目前为止尚未广泛应用。文献6报道的Y2O3 透明陶瓷制备工艺，由于采用纳米粉体和相对较低的烧结温度(1750 )，晶粒尺寸较小，约为 25 m，具有较好的力学性能，如能实现低成本制备，在该领域应有较好的应用前景。 2.2 Y2O3透明陶瓷的上转换发光Y2O3作为优异的发光材料基质，早已应用于灯用荧光粉及电致发光等领域。研究7表明：Y2O3还具有较低的声子能量(550cm1)，与目前上转换效率较高的 ZBLAN 玻璃(一种氟化物玻璃，其声子能量为 500 cm-1左右)相当。2000 年，Kapoor 等34首次报道Y2O3:Er3+体系粉体在980nm LD激发下产生近红外到可见的上转换。2001年 Silver 等35进一步研究该体系粉体中 Yb3+的共掺杂、颗粒形貌和晶粒大小及温度等对发光强度的影响。2002 年，章健8尝试稀土掺杂氧化钇透明陶瓷的上转换发光研究：采用湿化学法合成稀土离子掺杂氧化钇纳米粉体，在氢气氛中、1 850 保温 3 h，可以实现透明化；样品尺寸为 30mm3mm的透明Y2O3陶瓷在可见光区透过率大于 80%；不同稀土离子掺杂的透明Y2O3陶瓷在980nm LD激发下表现出良好的上转换发光性能，在 420680 nm 实现蓝色、绿色、橙色和红色等多个波长的上转换发射. 3 结 语从本质来看，Y2O3透明陶瓷的制备与其他特种陶瓷的并无太大差别，大多数特种陶瓷制备工艺都可以延用到透明陶瓷制备领域，然而透明陶瓷制备对工艺过程的每个环节均十分敏感，尤其粉体和烧结两个环节，对透明陶瓷的光学质量的影响最大。目前，国外对 Y2O3粉体制备、成型、烧结工艺进行了比较深入地研究，使其成功应用于医学 CT、激光增益介质和窗口等领域。相比较而言，国内对Y2O3 的研究尚不充分，还需要加大研究和开发力度，探索先进的 Y2O3粉体合成手段，尤其是批量合成手段，针对具体应用领域的需求，开发合适的成型工艺。可以预见，由于 Y2O3所具有的多种优异性能，随着研究工作的深入，必将有更多新的应用领域被开发出来。参考文献：1 马海霞，新型陶瓷激光器研究D.上海：上海光学机械研究所.2005.2 王阅辉, 周济, 崔学民, 等陶瓷技术在材料学上的进展 J. 无机材料学报, 2006, 21(3): 267276.3 张 显，成来飞，张立同，等.J.硅酸盐学报，2003，,3（2）:209-211.4 陈积阳.氧化钇-氧化钇及材料的制备及发光性能研究D.上海:上海硅酸盐研究所，2005.5 李龙土.功能陶瓷材料及其应用研究进展J.硅酸盐通报，2005，（05）.6 徐梅花.新型功能陶瓷材料研究及发展J.西部探矿工程，2007，（12）.7 李龙土.功能陶瓷材料及应用研究新进展J.建材发展导向2003，（05）.8时刻，黄英，廖梓.中国