視頻：透明陶瓷氧化釔陶瓷材料

知識(shí)點(diǎn)名稱：氧化釔陶瓷

關(guān)鍵詞：氧化釔,Y2O3,Yttrium-oxide

相關(guān)概念和介紹：

氧化釔為白色粉末。密度5. 03，熔點(diǎn)2415℃。露置空氣中易吸收二氧化碳和水。不溶于水，溶于礦物酸。制造微波用磁性材料和軍工用重要材料，也用作光學(xué)玻璃。氧化釔可增加特種玻璃的折射率，降低分散指數(shù)，用作大屏幕電視用高亮度熒光粉和其他顯像管涂料。用于制造薄膜電容器和特種耐火材料以及高壓水銀燈、激光、儲(chǔ)存元件等磁泡材料。也用于人造寶石激光晶體、超導(dǎo)材料等。是鑭系光學(xué)玻璃和耐高溫及耐輻射光學(xué)玻璃的添加劑。在氮化硅、氧化鋯等工程陶瓷以及壓電陶瓷、光電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、熱敏電阻陶瓷和電容器陶瓷等功能陶瓷中是重要的添加劑。

氧化釔陶瓷，以氧化釔為主晶相的陶瓷。屬立方晶系。熔點(diǎn)達(dá)2430℃，密度5.7克/厘米3，電絕緣性良好，透光性好，在遠(yuǎn)紅外波段透過(guò)率可達(dá)80%以上。致密氧化釔陶瓷制備常采用高純?nèi)趸悾ê看笥诘扔?9.99%）為原料，經(jīng)成形后在很高溫度下于還原氣氛或真空條件中燒結(jié)制得。可用于制作坩堝、紅外導(dǎo)彈的窗口、整流罩、天線罩、閃爍探測(cè)材料、微波設(shè)備基板、絕緣支架、紅外發(fā)生器外殼、紅外透鏡和高溫窗等。

自打20世紀(jì)60年代初美國(guó)GE公司的Coble研發(fā)出了第一塊半透明的氧化鋁陶瓷，開(kāi)辟出新的陶瓷研究方向后，透明陶瓷的發(fā)展就以一日千里的速度行進(jìn)著，先后出現(xiàn)了Y2O3、MgO、MgAl2O4、Y3Al5O12、AlON、PLZT、CaF2等幾十種透明陶瓷材料。其中氧化釔（Y2O3）一直是透明陶瓷領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)，它屬立方晶系，具有光學(xué)性能的各軸同向性，與透光氧化鋁的異方性相比影像較不失真，因此逐漸被高階的鏡頭或是軍事光學(xué)窗所重視與發(fā)展。

其物理化學(xué)性質(zhì)的主要特點(diǎn)是：

①熔點(diǎn)高，化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性好，光學(xué)透明性范圍較寬（0.23～8.0μm）；

②在1050nm處，其折射率高達(dá)1.89，使其具有80%以上的理論透過(guò)率；

③Y2O3具有足以容納大多數(shù)三價(jià)稀土離子發(fā)射能級(jí)的、較大的導(dǎo)帶到價(jià)帶的帶隙，可以通過(guò)稀土離子的摻雜，實(shí)現(xiàn)發(fā)光性能的有效裁剪，從而實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的多功能化；

④聲子能量低，其最大聲子截止頻率大約為550cm–1，低的聲子能量可以抑制無(wú)輻射躍遷的幾率，提高輻射躍遷的幾率，從而提高發(fā)光量子效率；

⑤熱導(dǎo)率高，約為13.6W/(m·K)，高的熱導(dǎo)率對(duì)其作為固體激光介質(zhì)材料極為重要。

目前Y2O3基透明陶瓷粉體的制備方法主要有兩種：一是以商業(yè)的高純粉體為原料，添加一定量的燒結(jié)助劑，利用球磨工藝獲得陶瓷粉體，然后燒結(jié)制備透明陶瓷；二是采用濕化學(xué)法/氣相法制備高燒結(jié)活性的Y2O3超細(xì)粉體，然后不添加任何燒結(jié)助劑的情況下燒結(jié)獲得透明陶瓷，這樣制備的粉體可在原子尺度混合，有效控制粉體的形貌，還具有尺寸分布窄、雜質(zhì)含量低等優(yōu)點(diǎn)。

目前Y2O3基透明陶瓷報(bào)道的燒結(jié)方法主要有：熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、真空燒結(jié)和氫氣氛燒結(jié)（干氫、濕氫），其致密化機(jī)理可以概括為純固相高溫?zé)Y(jié)、液相燒結(jié)/瞬時(shí)液相燒結(jié)、壓力輔助燒結(jié)和固溶活化燒結(jié)。不過(guò)為了提高Y2O3透明陶瓷的光學(xué)質(zhì)量和降低燒結(jié)溫度，往往將幾種燒結(jié)方法聯(lián)合使用。

應(yīng)用:

Y2O3因優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用并潛在開(kāi)發(fā)，主要包括：導(dǎo)彈的紅外窗口和球罩、可見(jiàn)和紅外透鏡、高壓氣體放電燈、陶瓷閃爍體以及陶瓷激光器等領(lǐng)域。

 

高壓氣體放電燈燈管

Y2O3具有立方相結(jié)構(gòu)，光學(xué)性能各向同性，化學(xué)穩(wěn)定性高，能耐金屬鈉蒸氣和其他金屬鹵化物蒸氣腐蝕，很早以來(lái)，人們就期望將其應(yīng)用于高強(qiáng)度氣體放電燈領(lǐng)域。Wei將La2O3增強(qiáng)Y2O3制成陶瓷金屬鹵化物燈燈管。

窗口材料

在3~5μm具有良好光學(xué)透過(guò)性能的材料在軍事領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。大多數(shù)氧化物，如Al2O3單晶、ALON和MgAl2O4透明陶瓷等，在低于5μm波長(zhǎng)處的透過(guò)率即開(kāi)始降低，而Y2O3在0.23～8.0μm具有較好的透過(guò)率。

閃爍陶瓷

有文獻(xiàn)報(bào)道，GRESKOVICHC等在Yttralox研究的基礎(chǔ)上，拋棄ThO2作為燒結(jié)助劑，采用高溫氫氣氛燒結(jié)制備(Y,Gd)2O3:Eu,Pr透明陶瓷。Gd2O3的摻雜大大提高樣品的密度，同時(shí)也提高其X射線吸收系數(shù)，該材料由于具有較高的光輸出、較短的余輝時(shí)間以及與探測(cè)器匹配的發(fā)射峰位，作為陶瓷閃爍體已裝備于GE醫(yī)療部門(mén)所生產(chǎn)的X–CT，每年的產(chǎn)量以噸計(jì)，具有很高的商業(yè)價(jià)值。

透明激光陶瓷

激光具有高能量密度、高度方向性和相干性的特點(diǎn)，在現(xiàn)代制造業(yè)中，激光加工是目前最先進(jìn)的加工技術(shù)之一。而自2000年Nd3+:YAG透明陶瓷成功獲得激光輸出以來(lái)，世界范圍內(nèi)掀起了激光陶瓷研究的熱潮。2001年，Lu等首次報(bào)道LD泵浦條件下Nd3+:Y2O3基透明陶瓷的激光輸出：采用摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1.5%的Nd3+:Y2O3透明陶瓷塊體，以807nm的LD為泵浦源，在742mW的泵浦功率下，獲得160mW的激光輸出，其斜率效率為32%，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)獲得波長(zhǎng)為1074.6nm和波長(zhǎng)為1078.6nm的激光輸出。此后，采用Y2O3透明陶瓷，分別實(shí)現(xiàn)了多種形式的連續(xù)、飛秒鎖模激光輸出。

Y2O3透明陶瓷的上轉(zhuǎn)換發(fā)光

Y2O3作為優(yōu)異的發(fā)光材料基質(zhì)，早已應(yīng)用于燈用熒光粉及電致發(fā)光等領(lǐng)域。研究表明：Y2O3還具有較低的聲子能量（550cm-1），與目前上轉(zhuǎn)換效率較高的ZBLAN玻璃（一種氟化物玻璃，其聲子能量為500cm-1左右）相當(dāng)。2002年，章健嘗試稀土摻雜氧化釔透明陶瓷的上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究：采用濕化學(xué)法合成稀土離子摻雜氧化釔納米粉體，在氫氣氛中、1850℃保溫3h，可以實(shí)現(xiàn)透明化；樣品尺寸為φ30mm×3 mm的透明Y2O3陶瓷在可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率大于80%；不同稀土離子摻雜的透明Y2O3陶瓷在980nm LD激發(fā)下表現(xiàn)出良好的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能，在420~680nm實(shí)現(xiàn)藍(lán)色、綠色、橙色和紅色等多個(gè)波長(zhǎng)的上轉(zhuǎn)換發(fā)射。

 

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1. 氧化釔陶瓷
2. 氧化釔
3. 氧化釔透明陶瓷這一冷門(mén)材料，我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下

延伸閱讀：

1.氧化釔透明陶瓷的研究進(jìn)展

2.透明陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈全景圖2017