一种高密度铪酸镱透明陶瓷材料及其制备方法与应用

本发明属于透明陶瓷的制备，具体涉及一种高密度铪酸镱透明陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、透明陶瓷(transparentceramic)是指通过陶瓷工艺制备而成的具备一定透光性的多晶陶瓷材料，又称为光学陶瓷。上世纪五十年代末，美国通用电气公司的技术员cole成功制备出第一块半透明al2o3陶瓷，打破了陶瓷不透明的传统观念，从此开辟出了一个陶瓷制备和应用的全新领域。

2、透明陶瓷因具有相对高密度、高强度、较高的有效原子序数、高折射率以及低声子能量，在光学透镜、闪烁器、，热障涂层、用于固定核废料中高活性放射性核素的基质、窗户材料、都受到了广泛的关注。目前已有如alon、mgalo4、yag、a2b2o7等多种透明陶瓷被成功制备。

3、与单晶相比，透明陶瓷具有远低于单晶的制备温度，同时且拥有可媲美单晶的透过率；与玻璃材料相比，透明陶瓷具有硬度高，抗冲击，且耐高温等优点。同时，透明陶瓷可根据不同的应用场景进行相对应的设计，如：高浓度离子的均匀掺杂，实现对于不同应用场景的满足。此外，透明陶瓷还具有制备工艺简单，相对较短的制备周期等特点，有利于批量化生产。因此，透明陶瓷具有能作为新一代的无机透明材料的价值，可替代玻璃，单晶等材料，在军民领域，医学仪器，新型光源，激光电光和防护窗口等方面都具有应用前景。

4、透明陶瓷按照材料体系可以分为氧化物透明陶瓷(如al2o3、mgo、y2o3、y3al5o12)、氟化物透明陶瓷(如caf2、mgf2)、氮化物透明陶瓷(如aln)、硫化物透明陶瓷(如zns)等。而按照材料性能可以将透明陶瓷分为透明激光陶瓷(如dy：caf2、nd：yag)、透明闪烁陶瓷(如gd2o2s：ce)、透明铁电陶瓷(如plzt、pzt)及红外透明陶瓷(如mgf2、zns)。

5、对于各种不同材料透明陶瓷的制备而言，虽然其大体工艺与普通陶瓷的制备相似，都是采用“粉体制备→压制成型→陶瓷烧结”的工艺流程，但是由于透明陶瓷的性能随着反应温度和烧结过程的进行，其相变情况较为复杂，不同原料之间的制备工艺并不能轻易借鉴。这是因为各种原料粉体的晶型和晶粒的取向会有所不同，其会影响透明陶瓷的透光率，而制备工艺也同样会影响陶瓷的透光率，不同的制备工艺比如虽然仅仅在烧结温度上有差别，也会影响中间相和纯相的制备。

6、透明陶瓷一般需要采用高纯、超细的粉体原料，掺入尽可能少的添加剂以减少杂质第二相，同时对成型、烧结等工艺需进行严格控制，保证气孔和杂质充分排出，进而使陶瓷密度接近理论密度，才能制备出高透光率的透明陶瓷。

7、属于a2b2o7结构的铪酸盐(re2hf2o7)透明陶瓷，因其具有优异的性能使得它在许多领域具有潜在的应用，近年来越来越受到学者和科学家的关注。相较于其他的a2b2o7透明陶瓷，铪酸盐透明陶瓷由于具有高密度，高折射率和高透过率，因此有望作为新一代应用于核环境的辐照屏蔽材料；又或者因其具有极高的原子序数，可作为闪烁体基质来获得优异的x射线和γ射线截止能。

8、到目前为止，a2b2o7透明陶瓷的密度大多都在5-8g/cm3之间，在可见光部分的透过率大约在70％左右。一般来说，密度越高对于辐照的屏蔽效果越好，而当前透明陶瓷材料的密度，在许多极端环境中，尚不能满足实际具体应用需要。

9、然而，目前制备a2b2o7类型透明陶瓷的方法无法提高陶瓷的密度，更无法获得铪酸镱透明陶瓷。目前仅有的关于哈酸镱透明陶瓷的报道仅限于邹小庆等采用燃烧法合成铪酸镱粉体，并制备得到铪酸镱透明陶瓷，但其透过率仅有50％，尚无法满足应用要求。而关于如何制备得到高透过率的铪酸镱透明陶瓷并未见报道，现有的方法对于铪这种高密度的原料也不能直接用来借鉴。因此，迫切需要制备出一种高致密度且具有高透过率的铪酸镱透明陶瓷。

技术实现思路

1、本发明就是为了解决上述技术问题，从而提供一种高密度铪酸镱透明陶瓷材料及其制备方法与应用。本发明的技术目的在于，提供一种高密度铪酸镱透明陶瓷材料的制备方法，以提升现有铪酸透明陶瓷的透过率，并相对于现有的a2b2o7透明陶瓷，进一步提升这类陶瓷的密度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明首先提供了一种高密度铪酸镱透明陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)制备前驱体粉末：将氧化铪、氧化镱按照一定的化学计量比混合，经过球磨、干燥、研磨过筛后得到细化的粉末，然后将细化的粉末在900～1200℃下煅烧3～4h，得到混合粉；再降至室温后将混合粉进行上述同样的球磨、干燥、研磨过筛，再将得到的粉末在800～900℃下煅烧2～3h，最终得到均匀、烧结活性好的铪酸镱前驱体粉末；

5、(2)制备素坯：采用成型工艺将步骤(1)得到的前驱体粉末压制成型，获得致密素坯；

6、(3)制备铪酸镱透明陶瓷：将步骤(2)制得的致密素坯置于真空环境下，在1800～1900℃温度下烧结8～12h，得到纯相陶瓷，将纯相陶瓷进行退火处理，并抛光，得到高密度铪酸镱透明陶瓷材料。

7、本发明提供的上述方法制备的铪酸镱(yb2hf2o7)透明陶瓷材料，经过双面抛光的1mm厚样品在可见光波段的直线透过率可达79％，样品形状为圆形片状，直径为φ＝11mm。

8、本发明制造出了一种能长期服役于屏蔽辐照窗口的透明材料，且该材料能够在极端的高温高辐射环境中长期服役，其光学性能、机械性能、屏蔽辐射的能力都极为突出，同时具备良好的化学稳定性，化学结构不会随温度的变化而大幅改变。本发明所选用的yb和hf元素都是高序数元素，能够起到良好的屏蔽辐射的能力，并且由于其原子质量很大，最终合成出的铪酸镱(yb2hf2o7)透明陶瓷的密度能够达到9.81g/cm3，明显高于现有a2b2o7体系中的透明陶瓷(5-8g/cm3)，通过维氏硬度测试，铪酸镱透明陶瓷的硬度能够达到12.4gpa，其良好的机械性能和抗冲击性能能够满足在辐照窗口长期服役的条件。在可见光波段透过率高，经过双面抛光的1mm的厚样品在可见光波段的直线透过率可达79％左右，并且经过计算得出铪酸镱(yb2hf2o7)透明陶瓷的阿贝数为35.6，在可见光波段没有明显的色散现象。折射率为2，对于光线的折射较强，在同等透光性上，可以将窗口做的更薄，材料的易用性更加灵活，同时，将铪酸镱(yb2hf2o7)透明陶瓷进行辐照测试，分别进行400kgy，600kgy，800kgy，1000kgy的辐照，都未出现明显的透过率下降情况，具有良好的抗辐照不变色的性能。

9、因此，本发明首次实现了对高密度高透过率铪酸镱透明陶瓷的制备，该透明陶瓷材料能够很好满足在辐照屏蔽窗口的应用条件。此外，本发明的制备方法具有工艺简单、可控性好、无需烧结助剂、烧结条件相对较简单，易于操作和生产等优点。

10、进一步的是，步骤(1)中所述氧化铪与氧化镱的摩尔比为2:1。

11、进一步的是，所述氧化铪和氧化镱的纯度均为99.9％以上。

12、进一步的是，步骤(1)中所述球磨、干燥、研磨过筛的操作为：将氧化物混合粉加入以酒精为溶剂的尼龙球磨罐中球磨20h，然后在70～80℃下干燥24h，将干燥后的粉末进行研磨过筛；优选的，所述球磨的转速为220～240r/min。

13、进一步的是，步骤(1)中所述煅烧时的升温速率为5～7℃/min，降温速率为5～8℃/min。

14、进一步的是，步骤(2)中所述制备素坯的具体操作为：将前驱体粉末加入到大小合适的磨具中，并放入压片机，在10～15mpa压力下保压5～10分钟，最后将得到的素坯置于冷等静压机中，并在200～300mpa压力下保持10～15分钟，获得致密素坯。

15、进一步的是，步骤(3)中所述真空环境的真空度为10-2～10-4pa。

16、进一步的是，步骤(3)中所述退火处理的温度为1300～1400℃，退火时间为3～4h。

17、本发明的目的之二是提供一种由上述任一方法制备得到的高密度铪酸镱透明陶瓷材料。

18、本发明的目的之三是提供上述高密度铪酸镱透明陶瓷材料在核反应堆安全领域方面的应用，特别是该材料在辐照屏蔽窗口材料、光学镜头、闪烁体基质材料方面的应用。

19、本发明的有益效果如下：

20、(1)本发明通过固相法制备粉体，解决以往固相法制备的粉体活性低，所得陶瓷材料透过率低的问题，同时避免制备纳米粉体带来的成本高的问题，该粉体制备方法应用范围广、前景好；

21、(2)本发明首次制备得到高致密度、高透过率的铪酸镱透明陶瓷，在辐照屏蔽窗口材料，光学镜头、闪烁体基质等领域具有较好的应用前景。