2024年4月12日发(作者：)

DOI:10.14062/.0454-5648.2010.03.010

第38卷第3期

第38卷第3期

2010年3月

沈宗洋等：(Na, K)NbO

3

基无铅压电陶瓷的研究进展

· 521 ·

Vol. 38，No. 3

March，2010

硅 酸 盐 学 报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

氧化钇透明陶瓷的研究进展

靳玲玲，蒋志君，章健

1

，王士维

1

(1. 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 200050；2. 科技部高技术研究发展中心，北京 100044)

摘 要：Y

2

O

3

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。Y

2

O

3

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Y

2

O

3

透

明陶瓷制备工艺的研究进展，综合评述Y

2

O

3

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Y

2

O

3

透明陶瓷的研发提出看法。

12

关键词：氧化钇；透明陶瓷；制备工艺；稀土掺杂；综合评述

中图分类号：O61 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)03–0521–06

RESEARCH PROGRESS OF YTTRIA TRANSPARENT CERAMICS

JIN Lingling

，JIANG Zhijun，ZHANG Jian

1

，WANG Shiwei

1

(1. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050; High Technology Research and

Development Center, The Ministry of Science and Technology, Beijing 100044, China)

Abstract: Because of the high melting point, chemical stability, high transmittance from ultraviolet rays to middle infra-red, and low

phonon energy, yttria is a promising material for high temperature windows, infrared domes, optical matrix for scintillation, laser

output and upconversion, and components of semiconductor devices. In this paper, the preparation process of yttria transparent ce-

ramics and luminescence of the yttria transparent ceramics doped with rare earth elements are discussed in detail. And the applications

in high-pressure gas discharge lamp, windows, scintillation ceramics, laser ceramics, upconversion luminescence, and so on are re-

viewed. Finally, the views on the research of yttria transparent ceramics are put forward.

Key words: yttria; transparent ceramics; preparation technology; rare-earth element doping; review

12

室温下，

Y

2

O

3

为稳定的

c

型立方结构

,

晶格常

数为

1.060

nm,

空间群为

T

h

7

。每个单胞中包含

32

个

Y

3+

和

48

个

O

2–

。

Y

离子格位存在两种不同的晶

格环境，有

8

个高对称性的

S

6

(

即

C

3i

)

格位和

24

个

低对称性的

C

2

格位。两种不同

Y

格位的配位数均

为

6

。

Y

2

O

3

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

～

8.0

μm)

；

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；

收稿日期：2009–06–16。 修改稿收到日期：2009–08–08。

基金项目：国家“863”计划(2006AA03Z535)资助项目。

第一作者：靳玲玲(1983—)，女，博士研究生。

通信作者：王士维(1964—)，男，博士，教授。

3) Y

2

O

3

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；

[1]

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。

[2]

上述特性使

Y

2

O

3

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

Received date: 2009–06–16. Approved date: 2009–08–08.

First author: JIN Lingling (1983–), female, postgraduate student for doctor

degree.

E-mail: lljin@

Correspondent author: WANG Shiwei (1964–), male, Doctor, professor.

E-mail: swwang51@

· 522 ·

硅

酸

盐

学

报

2010年

文结合研究结果，较为全面地总结

Y

2

O

3

透明陶瓷的

制备工艺和应用研究等相关进展，并对国内

Y

2

O

3

透明陶瓷的研发提出看法。

1 Y

2

O

3

透明陶瓷的制备工艺

1966

年，

Brissette

等

[3]

采用类似煅压

(

热机械形

变

)

的方法，首次制备

Y

2

O

3

透明陶瓷，其晶粒沿着

与施加压力相垂直的方向发生一定延展，但文献

[3]

没有报道具体的制备温度和压力。

1967

年，

Lefever

等

[4]

在真空热压烧结过程中采用

LiF

为烧结助剂，

以莫来石为模具、氧化锆为压头，在

950

℃保温

48

h

制备

Y

2

O

3

透明陶瓷，所使用的热压压力高达

69

～

83

MPa

。随后，

Dutta

等

[5]

采用质量分数为

99.9%

～

99.99%

的商业

Y

2

O

3

粉体，通过真空热压工艺，在

约

40

MPa

的热压压力和

1

500

℃保温

2

h

实现

Y

2

O

3

陶瓷的透明化，所制备的

2.5

mm

厚的样品在近红外

波段

(>1.5

μm)

的透过率达到

80%

，但没有报道可见

光区域的透过率。随后的研究

[6]

表明：当采用

LiF

为烧结助剂时，由于

LiF

的挥发，导致材料内部和

边缘部分的晶粒生长速率不一致，从而产生不均匀

的显微结构；另外，少量残留于样品中心部位的

F

，

导致样品中间的透过率低于边缘部分的。

1967

年，

Jorgensen

等

[7]

详细地研究

ThO

2

对

Y

2

O

3

致密化过程的影响，结果表明：

ThO

2

的添加

减小晶粒的表面能并能有效抑制晶界迁移速率和不

连续的晶粒生长，通过溶解

–

沉积机制促使

Y

2

O

3

最

终接近理论密度。

1973

年，

Greskovich

等

[8]

公布了

商业化透明

Y

2

O

3

产品

(Yttralox)

的制备工艺，所制备

的粉体经过

275

MPa

冷等静压成型，然后在流动

H

2

气氛中、于

2

170

℃烧结，保温时间为

30

～

125

h

，

最终得到

ThO

2

–Y

2

O

3

透明陶瓷，

3.5

mm

厚的样品在

0.75

～

6.0

μm

的透过率达到了

80%

以上，晶粒尺寸

在

100

～

150

μm

，气孔率可以控制在

2.5

×

10

–7

以下。

Anderson

等

[9]

很快就以这种材料为激光介质，实现

脉冲氙灯泵浦的激光输出，这是在氧化钇陶瓷体系

中首次获得的激光输出；然而，由于

ThO

2

具有放

射性，该材料未获得广泛应用。

GE

公司在此研究

基础上，不采用

ThO

2

作为烧结助剂，成功开发

(Y

，

Gd)

2

O

3

:

Eu

，

Pr

透明陶瓷，并作为陶瓷闪烁体在

X–CT

医疗器械方面获得实际应用。

[10]

上个世纪

70

年代，

Tsukuda

等

[11]

提出两阶段烧

结法制备透明陶瓷：第一阶段，在干氢介质或真空

中、于

2

150

～

2

330

℃预烧

30

min

；第二阶段，在

湿氢介质中、于

1

950

～

2

330

℃烧结

60

min

。采用

这种工艺制备的

Y

2

O

3

透明陶瓷在近红外部分可以

达到近

80%

的透过率，但没有报道可见光区域的透

过率。

1981

年，

Rhodes

[12]

在

Y

2

O

3

中添加摩尔分数

为

8%

～

12%

的

La

2

O

3

，通过瞬时液相烧结机制实现

Y

2

O

3

陶瓷的透明化。此后，经过

Wei

等

[13]

的努力，

成功开发

La

2

O

3

增强

Y

2

O

3

(lanthana-strengthened

yttria

，

LSY)

透明陶瓷体系，由于其红外截至波长明

显大于

Al

2

O

3

单晶、

ALON

以及

MgAl

2

O

4

等材料的，

其在导弹窗口和球罩领域的应用受到重视。

1985

年，文献

[14–15]

开始

Y

2

O

3

透明陶瓷作为导弹窗口

和球罩的研究，采用商业粉体为原料，陶瓷素坯先

在

1

700

℃左右真空烧结到

95%

左右的相对密度，

然后在该温度，经过

3

～

10

h

的高温等静压

(200

MPa)

处理实现材料的透明化。由于没有采用烧结助剂，

在室温，该透明陶瓷的热导率是

LSY

的

2.5

倍。

1986

年，

Rhodes

等

[16]

采用

Al

2

O

3

为烧结助剂制备透光性

Y

2

O

3

陶瓷；同年，

Greskovich

等

[17]

引入摩尔分数为

0.075%

～

0.6%

的

SrO

，人为制造氧空位，从而加速

Y

2

O

3

致密化过程，在

2

000

℃氢气氛中烧结

2

h

，实

现材料的透明化。

1988

年，

Gyozo

等

[18]

采用

BeO

为烧结助剂的无压烧结工艺制备透明

Y

2

O

3

陶瓷，烧

结过程中，

BeO

和

Y

2

O

3

形成液相促进致密化，在

2

200

℃左右的高温，部分液相可以通过蒸发而挥发。

1996

年，

Ikesue

等

[19]

采用粒径小于

2

μm

的

Y

2

O

3

、

Nd

2

O

3

和

HfO

2

商业粉体结合热等静压工艺制

备高光学质量的透明

1% (

摩尔分数，下同

)

Nd

3+

:

Y

2

O

3

陶瓷，其制备过程如下：首先，将适当比

例的氧化物粉体在乙醇介质中球磨混合，经喷雾造

粒，冷等静压成型；然后，将成型的素坯真空烧结

1

h

，烧结温度为

1

650

℃；最后，将真空烧结的陶

瓷块体在

1

700

℃的高温热等静压

[196

MPa (Ar)]

烧

结

3

h

得到透明陶瓷块体。所制备的

1%Nd

3+

:

Y

2

O

3

在

2.5

μm

处的透过率达到了

80%

以上，甚至超过

Verneuil

法生长的

0.5%Nd

3+

:

Y

2

O

3

单晶的透过率。

上世纪

90

年代后期，纳米技术飞速发展，人们

期望利用纳米粉体的高烧结活性，在较低的烧结温

度实现陶瓷材料的致密化。

1997

年，

Saito

等

[20]

采

用

0.5

mol/L

的

Y(NO

3

)

溶液和

2.5

mol/L

的

NH

4

HCO

3

溶液，通过正滴和长时间陈化，并使用质量分数为

0.05%

的

(NH

4

)

2

SO

4

溶液洗涤沉淀物，获得碳酸盐前

驱体；经过

700

～

1

100

℃煅烧，得到高烧结活性的

氧化物纳米晶粉体；粉体经

1

700

℃真空烧结

2

h

即

可获得直线透过率达

30%

～

40%(600

nm

处

)

的

Y

2

O

3

基透明陶瓷。此后，

Ikegami

等

[21]

采用氨水作为沉