本发明属于陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法。
背景技术：
氧化镥(Lu2O3)在可见光与红外光下均具有高透过率，其发射截面大，声子能量低，密度高，同时具有良好的机械性能与热性能。因此，氧化镥是一种优秀的激光介质材料与闪烁体材料，具有广阔的应用前景。Lu2O3具有立方晶系结构，光学各向同性，折射率不依赖于方向性，可通过纳米晶技术和高温烧结技术将粉体制成透明陶瓷。同时，Lu2O3透明陶瓷可以较为方便地实现不同种类、不同浓度的稀土离子的掺杂，从而拥有广泛的光学应用。
在稀土离子中，Tb3+离子的离子半径与Lu3+离子的离子半径相近，因此，Tb3+离子掺入Lu2O3晶格后产生的晶格畸变较小，可实现较高浓度的掺杂。在紫外光的激发下，Tb3+离子可发生5D4能级向7F5能级的跃迁，从而可为白光的合成提供绿光，因此，Tb:Lu2O3透明陶瓷在白光LED领域有广泛的应用。此外，Tb:Lu2O3透明陶瓷的热导率高，有利于热量的散发，在等离子体平板显示器领域也具有广泛的应用前景。
真空烧结作为一种有效促进致密化的烧结方式被广泛应用于Tb:Lu2O3透明陶瓷的制备。在真空烧结过程中，陶瓷内部会产生大量的氧空位，需要通过长时间的高温空气退火(1450℃×10h)来弥补氧空位。但是在空气退火的过程中，不可避免地会有大量的Tb3+离子与O2反应生成Tb4+离子，而Tb4+离子不发光，Tb3+离子含量的减少将直接导致Tb:Lu2O3陶瓷发光性能的下降。此外，在传统的真空烧结技术中，为了有效调控陶瓷的致密化过程，MgO、TEOS等烧结助剂必不可少。但是烧结助剂的引入将会导致电价不平衡。在烧结过程中，电荷补偿作用会导致Tb3+离子向Tb4+离子转变，从而影响陶瓷的发光质量。因此，采用真空烧结很难对烧结过程中Tb3+向Tb4+的转变进行有效的控制。而且传统的真空烧结需要较高的烧结温度(1600～1800℃)和较长的保温时间(8～20h)，这也导致烧结后的陶瓷晶粒尺寸普遍较大(10～30μm)，机械性能不佳，难以满足当前市场对其力学性能的需求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法，可以有效抑制Tb3+离子向Tb4+离子转变，且烧结温度低，时间短。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种激光烧结制备Tb:Lu2O3陶瓷的方法，包括以下步骤：
(1)按照化学结构式(Lu1-xTbx)2O3中各元素的化学计量比分别称取含有镥离子Lu3+的化合物和含有铽离子Tb3+的化合物粉体作为反应原料，其中x为Tb3+掺杂Lu3+位的摩尔百分数，0.001≤x≤0.02；
(2)在混合好的原料粉体中加入柠檬酸和乙二醇溶液，并搅拌均匀，得到前驱体溶液，其中，金属离子和柠檬酸的摩尔比为0.2～0.5，柠檬酸和乙二醇质量比为1～2；
(3)将前驱体溶液在70～80℃条件下进行热处理，去除多余的水分，冷却至室温，研磨，得到前驱体粉末；然后将研磨后的前驱体粉末置于500～800℃条件下预煅烧5～7h，去除多余的有机物，再将预煅烧后的前驱体粉末置于800～1200℃条件下煅烧1～3h；
(4)在煅烧后的粉体中加入粘合剂聚乙烯醇溶液进行塑化，采用干压法将其压制成圆片状，得到素胚片，其中聚乙烯醇溶液加入量为压片粉体质量的1.0～7.0％；
(5)将素胚片放置在一个Lu2O3垫片上，用激光器对素胚片两面同时进行烧结，得到陶瓷素胚；
(6)将烧结后的陶瓷素胚进行研磨抛光至1～3mm，得到Tb:Lu2O3透明陶瓷。
优选的，步骤(1)中，所述含有镥离子Lu3+的化合物为氧化镥或硝酸镥，所述含有铽离子Tb3+的化合物为硝酸铽、氯化铽、氧化铽中一种。
优选的，步骤(4)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为0.05～0.2g/ml。
优选的，步骤(4)中，所述聚乙烯醇的聚合度为1600～1900。
优选的，步骤(4)中，压制压力为800～1200Mpa，素胚片的直径为2.0～6.0mm，厚度为0.5～3.0mm。
优选的，步骤(5)中，激光输出功率密度为3.2～3.4W/mm2，光束直径4.9～5.5mm。
优选的，步骤(5)中，激光扫描速度为2～12mm/s。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.在激光烧结过程中，陶瓷内部不会有氧空位的产生，因此烧结后的样品无需进行空气退火，因此可以有效抑制Tb3+离子向Tb4+离子转变；而且采用激光烧结技术，由于不需要引入任何烧结助剂，因此可避免陶瓷内部电价不平衡现象，从而抑制了电荷补偿作用带来的Tb4+离子的产生，提高了陶瓷内部Tb3+离子的含量，在323nm紫外光的激发下，可实现高强度的绿光发射。
2.本发明提供的方法制备Tb:Lu2O3透明陶瓷所需烧结时间短，激光烧结过程仅需3～15min，节能环保，易于批量生产；且激光烧结制备的陶瓷晶粒尺寸小(1～5μm)，机械性能较好，符合当前市场对透明陶瓷力学性能的需求。
3.本发明提供的方法制备的Tb:Lu2O3透明陶瓷样品的相对密度达99.9％，有很好的致密性，透过率高，可以实现激光输出。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的Tb:Lu2O3透明陶瓷的XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
除另有说明，以下实施例中所用的原料均为市售产品，原料粉体的纯度均大于等于99.9％。
实施例1：(Lu0.999Tb0.001)2O3透明陶瓷
按照(Lu0.999Tb0.001)2O3中各元素的化学计量比分别称取Lu2O3和Tb4O7粉体作为反应原料；
用蒸馏水将柠檬酸稀释到浓度为0.05g/ml，在混合好的原料中加入柠檬酸和乙二醇溶液(金属离子和柠檬酸的摩尔比为0.2，柠檬酸和乙二醇质量比为1)，并搅拌均匀，得到前驱体溶液；
将前驱体溶液加热至70℃保温24h，以去除多余的水分，冷却至室温，再将其置于研钵中进行研磨，得到前驱体粉末；然后将研磨后的前驱体粉末在500℃下预煅烧5h，以去除多余的有机物，再将预煅烧后的前驱体粉末置于马弗炉中在800℃煅烧1h。
在煅烧后的粉体中加入0.05g/ml的粘合剂聚乙烯醇(聚合度为1600～1900)溶液进行塑化，并且采用干压法将其压制成直径为2.0mm、厚度为0.5mm的圆片，压力为80Mpa，得到素胚片。
将干压好的素胚片放置在一个Lu2O3垫片上，用激光器以直径为4.9mm的激光束对其进行烧结，激光的功率以0.01W/mm2的线性功率上升到3.2W/mm2，并且在最大功率处保持70s，扫描速度为2mm/s，全激光烧结的时间为5min。这一过程中，素胚片两面被同时烧结。最后，将陶瓷素胚进行研磨抛光至1mm，得到Tb:Lu2O3透明陶瓷。
本实施例制备的陶瓷样品为Lu2O3相，无其他杂相，陶瓷纯度较高。陶瓷晶粒尺寸3.2μm，光学透过率在400nm处为81.0％，光学质量良好，在进行323nm光激发下可以实现550nm的绿光输出。
实施例2：(Lu0.995Tb0.005)2O3透明陶瓷
按照(Lu0.995Tb0.005)2O3中各元素的化学计量比分别称取Lu(NO3)3·6H2O和Tb(NO3)3·5H2O粉体作为反应原料；
用蒸馏水将柠檬酸稀释到浓度为0.1g/ml，在混合好的原料中加入柠檬酸和乙二醇溶液(金属离子和柠檬酸的摩尔比为0.3，柠檬酸和乙二醇质量比为1.5)，并搅拌均匀，得到前驱体溶液；
将前驱体溶液加热至75℃保温24h，以去除多余的水分，冷却至室温，再将其置于研钵中进行研磨，得到前驱体粉末；然后将研磨后的前驱体粉末在700℃下预煅烧5h，以去除多余的有机物，再将预煅烧后的前驱体粉末置于马弗炉中在1000℃煅烧2h。
在煅烧后的粉体中加入0.1g/ml的粘合剂聚乙烯醇(聚合度为1600～1900)溶液进行塑化，并且采用干压法将其压制成直径为4.0mm、厚度为1.5mm的圆片，压力为120Mpa，得到素胚片。
将干压好的素胚片放置在一个Lu2O3垫片上，用激光器以直径为5.2mm的激光束对其进行烧结，激光的功率以0.02W/mm2的线性功率上升到3.3W/mm2，并且在最大功率处保持85s，扫描速度为10mm/s，全激光烧结的时间为7min。这一过程中，素胚片两面被同时烧结。最后，将陶瓷素胚进行研磨抛光至2mm，得到Tb:Lu2O3透明陶瓷。
图1为陶瓷样品的XRD图，可以看到样品为Lu2O3相，无其他杂相，陶瓷纯度较高。陶瓷晶粒尺寸2μm，光学透过率在400nm处为80.7％，光学质量良好，在进行323nm光激发下可以实现550nm的绿光输出。
实施例3：(Lu0.98Tb0.02)2O3透明陶瓷
按照(Lu0.98Tb0.02)2O3中各元素的化学计量比分别称取Lu(NO3)3·6H2O和TbCl3·6H2O粉体作为反应原料；
用蒸馏水将柠檬酸稀释到浓度为0.2g/ml，在混合好的原料中加入柠檬酸和乙二醇溶液(金属离子和柠檬酸的摩尔比为0.5，柠檬酸和乙二醇质量比为2)，并搅拌均匀，得到前驱体溶液；
将前驱体溶液加热至80℃保温24h，以去除多余的水分，冷却至室温，再将其置于研钵中进行研磨，得到前驱体粉末；然后将研磨后的前驱体粉末在800℃下预煅烧7h，以去除多余的有机物，再将预煅烧后的前驱体粉末置于马弗炉中在1200℃煅烧3h。
在煅烧后的粉体中加入0.2g/ml的粘合剂聚乙烯醇(聚合度为1600～1900)溶液进行塑化，并且采用干压法将其压制成直径为6.0mm、厚度为3.0mm的圆片，压力为150Mpa，得到素胚片。
将干压好的素胚片放置在一个Lu2O3垫片上，用激光器以直径为5.5mm的激光束对其进行烧结，激光的功率以0.03W/mm2的线性功率上升到3.4W/mm2，并且在最大功率处保持100s，扫描速度为12mm/s，全激光烧结的时间为8min。这一过程中，素胚片两面被同时烧结。最后，将陶瓷素胚进行研磨抛光至3mm，得到Tb:Lu2O3透明陶瓷。
本实施例制备的陶瓷样品为Lu2O3相，无其他杂相，陶瓷纯度较高。陶瓷晶粒尺寸2.8μm，光学透过率在400nm处为80.6％，光学质量良好，在进行323nm光激发下可以实现550nm的绿光输出。