氧化釔陶瓷介紹

2022/06/14 分類:特陶百科 1492 0

知識點名稱：氧化釔陶瓷

關鍵詞：氧化釔,Y2O3,Yttrium-oxide

相關概念和介紹：

氧化釔為白色粉末。密度5. 03，熔點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，也用作光學玻璃。氧化釔可增加特種玻璃的折射率，降低分散指數，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、儲存元件等磁泡材料。也用于人造寶石激光晶體、超導材料等。是鑭系光學玻璃和耐高溫及耐輻射光學玻璃的添加劑。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。熔點達2430℃，密度5.7克/厘米3，電絕緣性良好，透光性好，在遠紅外波段透過率可達80%以上。致密氧化釔陶瓷制備常采用高純三氧化二釔（含量大于等于99.99%）為原料，經成形后在很高溫度下于還原氣氛或真空條件中燒結制得。可用于制作坩堝、紅外導彈的窗口、整流罩、天線罩、閃爍探測材料、微波設備基板、絕緣支架、紅外發生器外殼、紅外透鏡和高溫窗等。

自打20世紀60年代初美國GE公司的Coble研發出了第一塊半透明的氧化鋁陶瓷，開辟出新的陶瓷研究方向后，透明陶瓷的發展就以一日千里的速度行進著，先后出現了Y2O3、MgO、MgAl2O4、Y3Al5O12、AlON、PLZT、CaF2等幾十種透明陶瓷材料。其中氧化釔（Y2O3）一直是透明陶瓷領域中的研究重點，它屬立方晶系，具有光學性能的各軸同向性，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窗所重視與發展。

其物理化學性質的主要特點是：

①熔點高，化學和光化學穩定性好，光學透明性范圍較寬（0.23～8.0μm）；

②在1050nm處，其折射率高達1.89，使其具有80%以上的理論透過率；

③Y2O3具有足以容納大多數三價稀土離子發射能級的、較大的導帶到價帶的帶隙，可以通過稀土離子的摻雜，實現發光性能的有效裁剪，從而實現其應用的多功能化；

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輻射躍遷的幾率，提高輻射躍遷的幾率，從而提高發光量子效率；

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

目前Y2O3基透明陶瓷粉體的制備方法主要有兩種：一是以商業的高純粉體為原料，添加一定量的燒結助劑，利用球磨工藝獲得陶瓷粉體，然后燒結制備透明陶瓷；二是采用濕化學法/氣相法制備高燒結活性的Y2O3超細粉體，然后不添加任何燒結助劑的情況下燒結獲得透明陶瓷，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、雜質含量低等優點。

目前Y2O3基透明陶瓷報道的燒結方法主要有：熱壓燒結、熱等靜壓燒結、真空燒結和氫氣氛燒結（干氫、濕氫），其致密化機理可以概括為純固相高溫燒結、液相燒結/瞬時液相燒結、壓力輔助燒結和固溶活化燒結。不過為了提高Y2O3透明陶瓷的光學質量和降低燒結溫度，往往將幾種燒結方法聯合使用。

應用:

Y2O3因優異的物理化學性質被廣泛應用并潛在開發，主要包括：導彈的紅外窗口和球罩、可見和紅外透鏡、高壓氣體放電燈、陶瓷閃爍體以及陶瓷激光器等領域。

高壓氣體放電燈燈管

Y2O3具有立方相結構，光學性能各向同性，化學穩定性高，能耐金屬鈉蒸氣和其他金屬鹵化物蒸氣腐蝕，很早以來，人們就期望將其應用于高強度氣體放電燈領域。Wei將La2O3增強Y2O3制成陶瓷金屬鹵化物燈燈管。

窗口材料

在3~5μm具有良好光學透過性能的材料在軍事領域具有重要的應用。大多數氧化物，如Al2O3單晶、ALON和MgAl2O4透明陶瓷等，在低于5μm波長處的透過率即開始降低，而Y2O3在0.23～8.0μm具有較好的透過率。

閃爍陶瓷

有文獻報道，GRESKOVICHC等在Yttralox研究的基礎上，拋棄ThO2作為燒結助劑，采用高溫氫氣氛燒結制備(Y,Gd)2O3:Eu,Pr透明陶瓷。Gd2O3的摻雜大大提高樣品的密度，同時也提高其X射線吸收系數，該材料由于具有較高的光輸出、較短的余輝時間以及與探測器匹配的發射峰位，作為陶瓷閃爍體已裝備于GE醫療部門所生產的X–CT，每年的產量以噸計，具有很高的商業價值。

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，在現代制造業中，激光加工是目前最先進的加工技術之一。而自2000年Nd3+:YAG透明陶瓷成功獲得激光輸出以來，世界范圍內掀起了激光陶瓷研究的熱潮。2001年，Lu等首次報道LD泵浦條件下Nd3+:Y2O3基透明陶瓷的激光輸出：采用摻雜摩爾分數為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%，實驗過程中同時獲得波長為1074.6nm和波長為1078.6nm的激光輸出。此后，采用Y2O3透明陶瓷，分別實現了多種形式的連續、飛秒鎖模激光輸出。

Y2O3透明陶瓷的上轉換發光

Y2O3作為優異的發光材料基質，早已應用于燈用熒光粉及電致發光等領域。研究表明：Y2O3還具有較低的聲子能量（550cm-1），與目前上轉換效率較高的ZBLAN玻璃（一種氟化物玻璃，其聲子能量為500cm-1左右）相當。2002年，章健嘗試稀土摻雜氧化釔透明陶瓷的上轉換發光研究：采用濕化學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，可以實現透明化；樣品尺寸為φ30mm×3 mm的透明Y2O3陶瓷在可見光區透過率大于80%；不同稀土離子摻雜的透明Y2O3陶瓷在980nm LD激發下表現出良好的上轉換發光性能，在420~680nm實現藍色、綠色、橙色和紅色等多個波長的上轉換發射。

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