氧化钇陶瓷介绍

2022/06/14 分类:特陶百科 1345 0

知识点名称：氧化钇陶瓷

关键词：氧化钇,Y2O3,Yttrium-oxide

相关概念和介绍：

氧化钇为白色粉末。密度5. 03，熔点2415℃。露置空气中易吸收二氧化碳和水。不溶于水，溶于矿物酸。制造微波用磁性材料和军工用重要材料，也用作光学玻璃。氧化钇可增加特种玻璃的折射率，降低分散指数，用作大屏幕电视用高亮度荧光粉和其他显像管涂料。用于制造薄膜电容器和特种耐火材料以及高压水银灯、激光、储存元件等磁泡材料。也用于人造宝石激光晶体、超导材料等。是镧系光学玻璃和耐高温及耐辐射光学玻璃的添加剂。在氮化硅、氧化锆等工程陶瓷以及压电陶瓷、光电陶瓷、半导体陶瓷、热敏电阻陶瓷和电容器陶瓷等功能陶瓷中是重要的添加剂。

氧化钇陶瓷，以氧化钇为主晶相的陶瓷。属立方晶系。熔点达2430℃，密度5.7克/厘米3，电绝缘性良好，透光性好，在远红外波段透过率可达80%以上。致密氧化钇陶瓷制备常采用高纯三氧化二钇（含量大于等于99.99%）为原料，经成形后在很高温度下于还原气氛或真空条件中烧结制得。可用于制作坩埚、红外导弹的窗口、整流罩、天线罩、闪烁探测材料、微波设备基板、绝缘支架、红外发生器外壳、红外透镜和高温窗等。

自打20世纪60年代初美国GE公司的Coble研发出了第一块半透明的氧化铝陶瓷，开辟出新的陶瓷研究方向后，透明陶瓷的发展就以一日千里的速度行进着，先后出现了Y2O3、MgO、MgAl2O4、Y3Al5O12、AlON、PLZT、CaF2等几十种透明陶瓷材料。其中氧化钇（Y2O3）一直是透明陶瓷领域中的研究重点，它属立方晶系，具有光学性能的各轴同向性，与透光氧化铝的异方性相比影像较不失真，因此逐渐被高阶的镜头或是军事光学窗所重视与发展。

其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1050nm处，其折射率高达1.89，使其具有80%以上的理论透过率；

③Y2O3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550cm–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；

⑤热导率高，约为13.6W/(m·K)，高的热导率对其作为固体激光介质材料极为重要。

目前Y2O3基透明陶瓷粉体的制备方法主要有两种：一是以商业的高纯粉体为原料，添加一定量的烧结助剂，利用球磨工艺获得陶瓷粉体，然后烧结制备透明陶瓷；二是采用湿化学法/气相法制备高烧结活性的Y2O3超细粉体，然后不添加任何烧结助剂的情况下烧结获得透明陶瓷，这样制备的粉体可在原子尺度混合，有效控制粉体的形貌，还具有尺寸分布窄、杂质含量低等优点。

目前Y2O3基透明陶瓷报道的烧结方法主要有：热压烧结、热等静压烧结、真空烧结和氢气氛烧结（干氢、湿氢），其致密化机理可以概括为纯固相高温烧结、液相烧结/瞬时液相烧结、压力辅助烧结和固溶活化烧结。不过为了提高Y2O3透明陶瓷的光学质量和降低烧结温度，往往将几种烧结方法联合使用。

应用:

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：导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。

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。Wei将La2O3增强Y2O3制成陶瓷金属卤化物灯灯管。

窗口材料

在3~5µm具有良好光学透过性能的材料在军事领域具有重要的应用。大多数氧化物，如Al2O3单晶、ALON和MgAl2O4透明陶瓷等，在低于5µm波长处的透过率即开始降低，而Y2O3在0.23～8.0µm具有较好的透过率。

闪烁陶瓷

有文献报道，GRESKOVICHC等在Yttralox研究的基础上，抛弃ThO2作为烧结助剂，采用高温氢气氛烧结制备(Y,Gd)2O3:Eu,Pr透明陶瓷。Gd2O3的掺杂大大提高样品的密度，同时也提高其X射线吸收系数，该材料由于具有较高的光输出、较短的余辉时间以及与探测器匹配的发射峰位，作为陶瓷闪烁体已装备于GE医疗部门所生产的X–CT，每年的产量以吨计，具有很高的商业价值。

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点，在现代制造业中，激光加工是目前最先进的加工技术之一。而自2000年Nd3+:YAG透明陶瓷成功获得激光输出以来，世界范围内掀起了激光陶瓷研究的热潮。2001年，Lu等首次报道LD泵浦条件下Nd3+:Y2O3基透明陶瓷的激光输出：采用掺杂摩尔分数为1.5%的Nd3+:Y2O3透明陶瓷块体，以807nm的LD为泵浦源，在742mW的泵浦功率下，获得160mW的激光输出，其斜率效率为32%，实验过程中同时获得波长为1074.6nm和波长为1078.6nm的激光输出。此后，采用Y2O3透明陶瓷，分别实现了多种形式的连续、飞秒锁模激光输出。

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500cm-1左右）相当。2002年，章健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、1850℃保温3h，可以实现透明化；样品尺寸为φ30mm×3 mm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420~680nm实现蓝色、绿色、橙色和红色等多个波长的上转换发射。

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