材料化学期末论文

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(0.23～8.0μm)；
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 cm–1，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；[2]
5) 热导率高，约为 13.6 W/(m·K)，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：
Ａ）在室温下，将浓度为０．３ｍｏｌ／Ｌ－１．０ｍｏｌ／Ｌ的Ｙ（ＮＮＯ↓［３］）↓［３］（溶液与浓度为０．５ｍｏｌ／Ｌ－２．０ｍｏｌ／Ｌ的ＮＨ↓［４］ＨＣＯ↓［３］溶液混合，同时加入（ＮＨ↓［４］）↓［２］ＳＯ↓［４］，（ＮＨ↓［４］）↓［２］ＳＯ↓［４］的加入量为Ｙ离子摩尔浓度的０．１－０．８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；Ｂ）将上述反应后的溶液陈化１２－４８小时；Ｃ）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ＮＨ↓［４］ＮＯ↓［３］，再用无水乙醇清洗，除去沉淀物中的水分；Ｄ）将清洗后的沉淀物在６０℃－１２０℃干燥２４－４８小时，得到前驱物粉体；[4] Ｅ）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９００℃－１０００℃，保温时间为３小时；Ｆ）在煅烧后的粉体中添加质量百分比为０．１％－２．５％的ＬｉＦ粉，然后在压强为１００ＭＰａ－２００ＭＰａ下模压成型，再在温度为１３００℃－１５００℃、压强为１０ＭＰａ－５０ＭＰａ、真空度１０↑［－２］Ｐａ－１０↑［－３］Ｐａ的环境下热压、然后退火，退火温度为１０００℃－１２５０℃，之后在温度为１６５０℃－１７５０℃、压强为１００ＭＰａ－２００ＭＰａ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 100μm，使机械性能很差；且 ThO2具有放射性，限制了实际应用。

Wei[11]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 2～5 μm，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(550cm–1)，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φ 30mm×3mm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 420～680 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): 267－276.
[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.中国陶瓷. 2005，41（01）
[9] 张锐，高濂.微波烧结和常压烧结对Al2O3-ZrO2陶瓷磨损行为的影响.无机材料学报，2002，17（3）：621～626.
[10] 孔德双，谷昌军，孔令仁.光催化功能陶瓷的研制[J].中国陶瓷，2008，（03）.
[11] 董显林.功能陶瓷研究进展与发展趋势[J].中国科学院院刊，2003，（06）.。