[go: up one dir, main page]

RU2473514C2 - Transparent ceramic material and method of obtaining it - Google Patents

Transparent ceramic material and method of obtaining it Download PDF

Info

Publication number
RU2473514C2
RU2473514C2 RU2011106562/05A RU2011106562A RU2473514C2 RU 2473514 C2 RU2473514 C2 RU 2473514C2 RU 2011106562/05 A RU2011106562/05 A RU 2011106562/05A RU 2011106562 A RU2011106562 A RU 2011106562A RU 2473514 C2 RU2473514 C2 RU 2473514C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
yttrium
oxide
solid solution
scandium
composition
Prior art date
Application number
RU2011106562/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011106562A (en
Inventor
Евгений Степанович Лукин
Николай Александрович Макаров
Нелля Александровна Попова
Дмитрий Олегович Лемешев
Original Assignee
Дмитрий Олегович Лемешев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Олегович Лемешев filed Critical Дмитрий Олегович Лемешев
Priority to RU2011106562/05A priority Critical patent/RU2473514C2/en
Publication of RU2011106562A publication Critical patent/RU2011106562A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2473514C2 publication Critical patent/RU2473514C2/en

Links

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to field of obtaining ceramics. Claimed material contains matrix, made in form of solid solution of scandium oxide in yttrium oxide with composition Y1-xScxO1.5, where x=0.25-0.35, and filler, made in form of solid solution of scandium oxide in yttrium-aluminium garnet with composition Y3-3zAl5-5zSc8zO12, where z=0.20-0.45, with material containing matrix in amount 80-90 wt % and filler in amount 20-10 wt %. Described is method of material obtaining, which includes mixing of preliminarily obtained matrix with preliminarily obtained filler, mixture formation and thermal processing.
EFFECT: invention ensures obtaining material with high exploitation characteristics, light-permeability, thermal resistance, heat conductivity, dielectric permeability and strength by simple method of synthesis.
4 cl, 1 ex

Description

Изобретение относится к оптоэлектронике, а именно к составу прозрачного керамического материала и способу его получения.The invention relates to optoelectronics, in particular to the composition of a transparent ceramic material and a method for its preparation.

Известен кристалл иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов кобальта Со:Y3Al5O12. Интенсивность насыщения поглощения на длине волны 1,54 мкм для кристалла составляет 100 МВт/см2 (М.В.Camargo, R.D.Stultz and M.Birnbaum, Opt. Lett., V. 20(3), p.339, 1995).A known crystal of yttrium-aluminum garnet with an admixture of cobalt ions Co: Y 3 Al 5 O 12 . The absorption saturation intensity at a wavelength of 1.54 μm for a crystal is 100 MW / cm 2 (M.V. Camargo, RD Stultz and M. Birnbaum, Opt. Lett., V. 20 (3), p.339, 1995).

Недостатком данного кристалла является большая величина интенсивности насыщения поглощения. Кроме того, производство монокристаллов иттрий-алюминиевого граната Со:Y3Al5O12 является дорогостоящим.The disadvantage of this crystal is the large value of the intensity of saturation of absorption. In addition, the production of single crystals of yttrium-aluminum garnet Co: Y 3 Al 5 O 12 is expensive.

Известны также нанопорошки и кристаллы иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов неодима, способы их приготовления и свойства (L.Lipinska et al., J. Alloys and Compound, 2007, v.432, №1-26 p.177-182).Nanopowders and crystals of yttrium-aluminum garnet with an admixture of neodymium ions, methods for their preparation and properties are also known (L. Lipinska et al., J. Alloys and Compound, 2007, v.432, No. 1-26 p.177-182).

Известен способ получения поликристаллического иттрий-алюминиевого граната, который может быть допирован редкоземельными элементами, выбранными из Nd, Yb, Sc, Pr, Eu, Er (US 7022262, 04.04.2006).A known method of producing polycrystalline yttrium-aluminum garnet, which can be doped with rare earth elements selected from Nd, Yb, Sc, Pr, Eu, Er (US 7022262, 04.04.2006).

Однако способы получения известных материалов являются достаточно сложными.However, methods for producing known materials are quite complex.

Известны прозрачные керамические материалы на основе оксида иттрия и иттрий-алюминиевого граната, обладающие высокими показателями светопропускания в видимой области спектра. Материалы можно получить различными способами, например, золь-гель технология, термическое разложение солей, твердофазный синтез, гидротермальный синтез, вымораживание, соосаждение, горение (Д.О.Лемешев и др., Перспектива создания новых оптически прозрачных материалов на основе оксида иттрия и иттрий - алюминиевого граната, журн. Стекло и керамика, 2008, №4, стр.25-27).Transparent ceramic materials based on yttrium oxide and yttrium-aluminum garnet are known, having high transmittance in the visible region of the spectrum. Materials can be obtained in various ways, for example, sol-gel technology, thermal decomposition of salts, solid-phase synthesis, hydrothermal synthesis, freezing, coprecipitation, burning (D.O. Lemeshev et al., The prospect of creating new optically transparent materials based on yttrium and yttrium oxide - aluminum garnet, magazine, Glass and Ceramics, 2008, No. 4, pp. 25-27).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является материал, представляющий собой смесь твердого раствора оксида скандия в оксиде иттрия и твердого раствора оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате, взятых при массовом соотношении 80-90% и 10-20%, соответственно (RU 2009115895, 10.11.2010).The closest in technical essence and the achieved result is a material that is a mixture of a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide and a solid solution of scandium oxide in yttrium-aluminum garnet, taken at a mass ratio of 80-90% and 10-20%, respectively (RU 2009115895 November 10, 2010).

Однако в известном техническом решении не установлен химический состав компонентов материала, который обеспечивает структуру целевого продукта, характеризующуюся высокими эксплуатационными свойствами и стабильными оптическими характеристиками.However, in the known technical solution, the chemical composition of the components of the material is not established, which provides the structure of the target product, characterized by high performance properties and stable optical characteristics.

Задачей настоящего изобретения является разработка прозрачного керамического материала с высокой теплопроводностью, термической и радиационной стойкостью, имеющего стабильные оптические характеристики при простом способе его получения.The present invention is the development of a transparent ceramic material with high thermal conductivity, thermal and radiation resistance, having stable optical characteristics with a simple method for its preparation.

Поставленная задача решается описываемым прозрачным керамическим материалом, который содержит матрицу, выполненную в виде твердого раствора оксида скандия в оксиде иттрия молярного состава Y1-xSCxO1,5, где х=0,25-0,35, и наполнитель, выполненный в виде твердого раствора оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате, имеющего молярный состав Y3-3zAl5-5zSc8zO12, где z=0,20-0,45, при этом материал содержит упомянутые компоненты при следующем соотношении (в масс.%): твердый раствор состава Y1-xSCxO1,5 - 80-90, твердый раствор состава Y3-3zAl5-5zSc8zO12 - 10-20.The problem is solved by the described transparent ceramic material, which contains a matrix made in the form of a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide of a molar composition Y 1-x SC x O 1.5 , where x = 0.25-0.35, and the filler made in the form of a solid solution of scandium oxide in yttrium-aluminum garnet having a molar composition of Y 3-3z Al 5-5z Sc 8z O 12 , where z = 0.20-0.45, while the material contains the mentioned components in the following ratio (in wt.%): a solid solution of composition Y 1-x SC x O 1.5 - 80-90, a solid solution of composition Y 3-3z Al 5-5z Sc 8z O 12 - 10-20.

Поставленная задача решается также описываемым способом получения заявленного материала, который включает перемешивание порошка твердого раствора оксида скандия в оксиде иттрия состава Y1-xScxO1,5 с порошком твердого раствора оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате состава Y3-3zAl5-5zSc8zO12, термообработку смеси при 1300-1450°С в течение 1-3 часов, формование с использованием временного связующего, последующую термообработку до удаления упомянутого связующего, нагревание полученного формованного материала в вакуумной печи до температуры 1800-1900°С со скоростью подъема температуры 200-400°С/час, шлифовку и полировку.The problem is also solved by the described method of obtaining the claimed material, which includes mixing the powder of a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide of composition Y 1-x Sc x O 1.5 with a powder of a solid solution of scandium oxide in yttrium-aluminum garnet composition Y 3-3z Al 5 -5z Sc 8z O 12 , heat treatment of the mixture at 1300-1450 ° C for 1-3 hours, molding using a temporary binder, subsequent heat treatment to remove the binder, heating the resulting molded material in a vacuum oven to a temperature 1800-1900 ° C with a rate of temperature rise of 200-400 ° C / hour, grinding and polishing.

Предпочтительно, твердый раствор оксида скандия в оксиде иттрия получают осаждением карбоната иттрия с последующим измельчением полученного карбоната иттрия в присутствии раствора соли скандия и термическим разложением солевой смеси при температуре 1000°С.Preferably, a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide is obtained by precipitation of yttrium carbonate, followed by grinding the obtained yttrium carbonate in the presence of a solution of scandium salt and thermal decomposition of the salt mixture at a temperature of 1000 ° C.

Предпочтительно, твердый раствор оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате получают путем измельчения свежеосажденной смеси гидроксидов иттрия и алюминия в растворе соли скандия с последующей сушкой и термообработкой при 1100°С.Preferably, a solid solution of scandium oxide in yttrium aluminum garnet is obtained by grinding a freshly precipitated mixture of yttrium and aluminum hydroxides in a solution of scandium salt, followed by drying and heat treatment at 1100 ° C.

Нами экспериментально установлено, что только в объеме заявленной совокупности признаков обеспечивается стабильное получение материала с необходимыми эксплуатационными характеристиками.We have experimentally established that only in the amount of the claimed combination of features provides a stable receipt of the material with the necessary operational characteristics.

Так, при снижении количества скандия в твердом растворе оксида скандия в оксиде иттрия ниже 25% мол., т.е. при x менее 0,25, материал содержит большое количество межкристаллических и внутрикристаллических пор, что не позволяет обеспечить прозрачность материала, в то же время при x более 0,35 не обеспечивается получение фазовочистого материала, так как во время термообработки происходит образование посторонней фазы, имеющей гексагональную кристаллическую решетку, в результате чего светопропускание материала значительно снижается. При заявленном составе матричного компонента его светопропукание составляет 76% в видимой области спектра.Thus, with a decrease in the amount of scandium in a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide below 25 mol%, i.e. at x less than 0.25, the material contains a large number of intercrystalline and intracrystalline pores, which does not allow for transparency of the material, while at x more than 0.35, phase-pure material is not obtained, since during the heat treatment an extraneous phase is formed having hexagonal crystal lattice, as a result of which the light transmission of the material is significantly reduced. With the claimed composition of the matrix component, its light transmission is 76% in the visible region of the spectrum.

При снижении содержания скандия во втором исходном компоненте - иттрий-алюминиевом гранате - ниже заявленного, т.е. при z менее 0,2, и при превышении содержания скандия, т.е. при z более 0,45, при термообработке происходит образование двух фаз: фазы с кубической решеткой иттрий-алюминиевого граната и фазы с гексагональной решеткой (YAlO3), что также не позволяет обеспечить стабильное получение материала с высоким светопропусканием. Введение в иттрий-алюминиевый гранат добавки оксида скандия в заявленном количестве дает возможность изменить коэффициент преломления, практически полностью уравнивая его с таковым для матричного компонента. При заявленном составе наполнителя обеспечивается светопропускание в видимой области спектра от 65 до 75%.With a decrease in the content of scandium in the second initial component - yttrium-aluminum garnet - below the declared, i.e. when z is less than 0.2, and when the content of scandium is exceeded, i.e. at z greater than 0.45, two phases are formed during heat treatment: phases with a cubic lattice of yttrium-aluminum garnet and phases with a hexagonal lattice (YAlO 3 ), which also does not allow for stable production of material with high light transmission. The introduction of scandium oxide additives in yttrium-aluminum garnet in the declared amount makes it possible to change the refractive index, almost completely equalizing it with that for the matrix component. When the claimed composition of the filler provides a light transmission in the visible region of the spectrum from 65 to 75%.

Заявленные молярные составы смешиваемых твердых растворов обеспечивают также получение материала с высокими эксплуатационными характеристиками, такими как термостойкость, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость, прочность.The claimed molar compositions of the mixed solid solutions also provide a material with high performance characteristics, such as heat resistance, thermal conductivity, dielectric constant, strength.

При массовом соотношении матричного компонента и наполнителя, равном 80:20, светопропускание получаемого материала в видимой области спектра составляет 65%, а относительная плотность материала составляет 99,94%. При соотношении первого и второго компонентов 90:10 относительная плотность материала составляет 99,87%With a mass ratio of the matrix component and filler equal to 80:20, the light transmission of the resulting material in the visible region of the spectrum is 65%, and the relative density of the material is 99.94%. When the ratio of the first and second components 90:10, the relative density of the material is 99.87%

Следует отметить, что в объеме заявленной совокупности признаков эксплуатационные характеристики полученного оптически прозрачного материала практически не отличаются от эксперимента к эксперименту, т.е. стабильно обеспечиваются, что подтверждает достижение заявленного технического результата.It should be noted that in the scope of the claimed combination of features, the operational characteristics of the obtained optically transparent material practically do not differ from experiment to experiment, i.e. stably provided, which confirms the achievement of the claimed technical result.

В связи с тем что способ получения заявленного материала осуществляется по одной и той же технологии (обратного гетерофазного осаждения) с изменением от эксперимента к эксперименту лишь количества скандия, вводимого в исходные компоненты, то далее заявитель приводит один конкретный пример, подробно описывающий синтез материала в соответствии с заявленным способом.Due to the fact that the method of obtaining the claimed material is carried out according to the same technology (reverse heterophase deposition) with a change from experiment to experiment, only the amount of scandium introduced into the starting components, the applicant then provides one specific example that describes in detail the synthesis of the material in accordance with with the claimed method.

Массовые количества исходных химических веществ, необходимых для получения твердых растворов оксида скандия в оксиде иттрия и оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате, экспериментатор может легко рассчитать исходя из заданного молярного состава соответствующего твердого раствора и конкретно выбранного для синтеза исходного химического вещества.The mass amount of the starting chemical substances necessary to obtain solid solutions of scandium oxide in yttrium oxide and scandium oxide in yttrium-aluminum garnet, the experimenter can easily calculate on the basis of a given molar composition of the corresponding solid solution and specifically selected for the synthesis of the starting chemical substance.

Пример 1Example 1

Синтез матричного компонента осуществляют следующим образом. Для синтеза оксида иттрия используют карбонат иттрия, который получают методом гетерофазного обратного осаждения. В качестве осаждаемого компонента используют горячий раствор хлорида иттрия марки ХЧ. В качестве осаждающего вещества берут охлажденный раствор карбоната аммония марки ХЧ. Осаждение проводят на установке с форсункой, распыляя раствор при помощи тока воздуха. Мелкие капли горячего насыщенного раствора хлорида иттрия, вылетая в воздушную среду, быстро остывают и в капле происходит массовая кристаллизация соли. Из-за высокой скорости процесса кристаллизации кристаллы не успевают вырастать до размеров больше 1 мкм. При попадании в раствор осадителя происходит топохимическая реакция между твердым хлоридом иттрия и карбонатом аммония. В результате получены пластинчатые частицы карбоната иттрия размером 40-50 нм. Осадок отфильтровывают и высушивают. Полученный карбонат иттрия измельчают мокрым способом в течение восьми часов в вибромельнице. Для предотвращения загрязнения материала посторонними примесями использовались мелющие тела из оксида алюминия. Измельчение проводят в растворе соли скандия, например хлорида скандия, вводимой в количестве 25 мол. % (в пересчете на оксид скандия), обеспечивая состав полученного твердого раствора: Y0,75Sc0,25O1,5 (в качестве солей скандия в других экспериментах были использованы нитрат скандия или сульфат скандия марки ХЧ). Далее осуществляют термообработку в электропечи при температуре 1000°С, что соответствует пику кристаллизации на термограмме оксида иттрия, при скорости подъема температуры 100°С/ч, с выдержкой при конечной температуре в течение от четырех до шести часов.The synthesis of the matrix component is as follows. For the synthesis of yttrium oxide, yttrium carbonate is used, which is obtained by the method of heterophasic reverse deposition. As a precipitated component using a hot solution of yttrium chloride grade HCh. As a precipitating substance take a cooled solution of ammonium carbonate brand XC. Precipitation is carried out on the installation with a nozzle, spraying the solution using an air stream. Small drops of a hot saturated solution of yttrium chloride, flying into the air, cool quickly and a massive crystallization of salt occurs in the drop. Due to the high speed of the crystallization process, the crystals do not have time to grow to sizes larger than 1 μm. When a precipitant enters the solution, a topochemical reaction occurs between solid yttrium chloride and ammonium carbonate. As a result, lamellar particles of yttrium carbonate with a size of 40-50 nm were obtained. The precipitate is filtered off and dried. The resulting yttrium carbonate is ground wet for eight hours in a vibratory mill. To prevent contamination of the material with impurities, aluminum oxide grinding media were used. Grinding is carried out in a solution of scandium salt, for example scandium chloride, introduced in an amount of 25 mol. % (in terms of scandium oxide), providing the composition of the obtained solid solution: Y 0.75 Sc 0.25 O 1.5 (scandium nitrate or scandium sulfate grade ChP were used in other experiments as salts of scandium). Next, heat treatment is carried out in an electric furnace at a temperature of 1000 ° C, which corresponds to the crystallization peak in the thermogram of yttrium oxide, at a temperature rise rate of 100 ° C / h, with exposure at a final temperature for four to six hours.

Второй компонент (наполнитель) на основе иттрий-алюминиевого граната также получают методом обратного гетерофазного осаждения. Берут горячие растворы хлоридов иттрия и алюминия марок ХЧ. В качестве осаждающего вещества используют охлажденный водный раствор аммиака марки ХЧ. Полученный осадок фильтруют и сушат. Затем измельчают в вибромельнице в течение четырех часов в растворе выбранной соли скандия (хлорид, сульфат, нитрат), введенной в количестве 41 мол.% (в пересчете на оксиды), с получением твердого раствора состава Y3-3zAl5-5zSc8zO12, где z=0,41. Далее проводят термообработку в электропечи сопротивления при температуре 1100°С, что соответствует пику кристаллизации на термограмме иттрий-алюминиевого граната, при скорости подъема температуры 100°С/ч, с выдержкой при конечной температуре в течение 4-6 часов.The second component (filler) based on yttrium-aluminum garnet is also obtained by the method of reverse heterophase deposition. They take hot solutions of yttrium and aluminum chlorides of ChP grades. As a precipitating substance, a chilled aqueous solution of ammonia of the grade ChP is used. The resulting precipitate was filtered and dried. Then it is ground in a vibratory mill for four hours in a solution of the selected scandium salt (chloride, sulfate, nitrate), introduced in an amount of 41 mol% (in terms of oxides), to obtain a solid solution of the composition Y 3-3z Al 5-5z Sc 8z O 12 , where z = 0.41. Next, heat treatment is carried out in a resistance electric furnace at a temperature of 1100 ° C, which corresponds to the crystallization peak in the thermogram of yttrium-aluminum garnet, at a temperature rise rate of 100 ° C / h, with holding at a final temperature for 4-6 hours.

Полученные порошки твердых растворов при массовом соотношении 80:20, соответственно, смешивают в планетарной мельнице в течение 5 минут и термообрабатывают при 1400°С в течение 2 часов. Из полученной смеси формуют заготовки методом полусухого прессования, например, при давлении прессования 100 МПа. В качестве связки используют 5%-ный раствор поливинилового спирта, также возможно использование в качестве связки 6% парафина в четыреххлористом углероде. После формования удаляют временную технологическую связку путем нагрева в электропечи сопротивления при температуре 1400°С в течение полутора часов.The obtained powders of solid solutions in a mass ratio of 80:20, respectively, are mixed in a planetary mill for 5 minutes and heat treated at 1400 ° C for 2 hours. Preforms are formed from the resulting mixture by the method of semi-dry pressing, for example, at a pressing pressure of 100 MPa. A 5% solution of polyvinyl alcohol is used as a binder; it is also possible to use 6% paraffin in carbon tetrachloride as a binder. After molding, the temporary technological bundle is removed by heating the resistance in an electric furnace at a temperature of 1400 ° C for one and a half hours.

Затем заготовку помещают в вакуумную печь и нагревают до температуры 1800-1900°С, при этом скорость подъема температуры составляет от 200°С/ч, вакуум 10-4 мм рт.ст. Время выдержка при конечной температуре зависит от общего количества оксида скандия в прозрачном керамическом материале и составляет примерно от пяти до десяти часов. После охлаждения полученный материал шлифуют и полируют.Then the workpiece is placed in a vacuum oven and heated to a temperature of 1800-1900 ° C, while the rate of temperature rise is from 200 ° C / h, a vacuum of 10 -4 mm Hg The exposure time at the final temperature depends on the total amount of scandium oxide in the transparent ceramic material and is about five to ten hours. After cooling, the resulting material is ground and polished.

Пример 2Example 2

Синтез матричного компонента осуществляют следующим образом. Для синтеза оксида иттрия используют карбонат иттрия, который получают методом гетерофазного обратного осаждения. В качестве осаждаемого компонента используют горячий раствор хлорида иттрия марки ХЧ. В качестве осаждающего вещества берут охлажденный раствор карбоната аммония марки ХЧ. Осаждение проводят на установке с форсункой, распыляя раствор при помощи тока воздуха. Мелкие капли горячего насыщенного раствора хлорида иттрия, вылетая в воздушную среду, быстро остывают и в капле происходит массовая кристаллизация соли. Из-за высокой скорости процесса кристаллизации кристаллы не успевают вырастать до размеров больше 1 мкм. При попадании в раствор осадителя происходит топохимическая реакция между твердым хлоридом иттрия и карбонатом аммония. В результате получены пластинчатые частицы карбоната иттрия размером 40-50 нм. Осадок отфильтровывают и высушивают. Полученный карбонат иттрия измельчают мокрым способом в течение восьми часов в вибромельнице. Для предотвращения загрязнения материала посторонними примесями использовались мелющие тела из оксида алюминия. Измельчение проводят в растворе нитрата скандия, вводимого в количестве 35 мол. % (в пересчете на оксид скандия), обеспечивая состав полученного твердого раствора: Y0,65Sc0,35O1,5. Далее осуществляют термообработку в электропечи при температуре 1000°С, что соответствует пику кристаллизации на термограмме оксида иттрия, при скорости подъема температуры 100°С/ч, с выдержкой при конечной температуре в течение от четырех до шести часов.The synthesis of the matrix component is as follows. For the synthesis of yttrium oxide, yttrium carbonate is used, which is obtained by the method of heterophasic reverse deposition. As a precipitated component using a hot solution of yttrium chloride grade HCh. As a precipitating substance take a cooled solution of ammonium carbonate brand XC. Precipitation is carried out on the installation with a nozzle, spraying the solution using an air stream. Small drops of a hot saturated solution of yttrium chloride, flying into the air, cool quickly and a massive crystallization of salt occurs in the drop. Due to the high speed of the crystallization process, the crystals do not have time to grow to sizes larger than 1 μm. When a precipitant enters the solution, a topochemical reaction occurs between solid yttrium chloride and ammonium carbonate. As a result, lamellar particles of yttrium carbonate with a size of 40-50 nm were obtained. The precipitate is filtered off and dried. The resulting yttrium carbonate is ground wet for eight hours in a vibratory mill. To prevent contamination of the material with impurities, aluminum oxide grinding media were used. Grinding is carried out in a solution of scandium nitrate, introduced in an amount of 35 mol. % (in terms of scandium oxide), providing the composition of the obtained solid solution: Y 0.65 Sc 0.35 O 1.5 . Next, heat treatment is carried out in an electric furnace at a temperature of 1000 ° C, which corresponds to the crystallization peak on the thermogram of yttrium oxide, at a temperature rise rate of 100 ° C / h, with exposure at a final temperature for four to six hours.

Второй компонент (наполнитель) на основе иттрий-алюминиевого граната также получают методом обратного гетерофазного осаждения. Берут горячие растворы хлоридов иттрия и алюминия марок ХЧ. В качестве осаждающего вещества используют охлажденный водный раствор аммиака марки ХЧ. Полученный осадок фильтруют и сушат. Затем измельчают в вибромельнице в течение четырех часов в растворе нитрата скандия (введенного в количестве 20 мол. % (в пересчете на оксиды) с получением твердого раствора состава Y3-3zAl5-5zSc8zO12, где z=0,20. Далее проводят термообработку в электропечи сопротивления при температуре 1100°С, что соответствует пику кристаллизации на термограмме иттрий-алюминиевого граната, при скорости подъема температуры 100°С/ч, с выдержкой при конечной температуре в течение 4-6 часов.The second component (filler) based on yttrium-aluminum garnet is also obtained by the method of reverse heterophase deposition. They take hot solutions of yttrium and aluminum chlorides of ChP grades. As a precipitating substance, a chilled aqueous solution of ammonia of the grade ChP is used. The resulting precipitate was filtered and dried. Then it is ground in a vibratory mill for four hours in a solution of scandium nitrate (introduced in an amount of 20 mol% (in terms of oxides) to obtain a solid solution of the composition Y 3-3z Al 5-5z Sc 8z O 12 , where z = 0.20 Next, heat treatment is carried out in a resistance electric furnace at a temperature of 1100 ° C, which corresponds to the crystallization peak in the thermogram of yttrium-aluminum garnet, at a temperature rise rate of 100 ° C / h, with holding at a final temperature for 4-6 hours.

Полученные порошки твердых растворов при в массовом соотношении 90:10, соответственно, смешивают в планетарной мельнице в течение 5 минут и термообрабатывают при 1300°С в течение 3 часов. Из полученной смеси формуют заготовки методом полусухого прессования, например, при давлении прессования 100 МПа. В качестве связки используют 5%-ный раствор поливинилового спирта, также возможно использование в качестве связки 6% парафина в четыреххлористом углероде. После формования удаляют временную технологическую связку путем нагрева в электропечи сопротивления при температуре 1400°С в течение полутора часов.The obtained powders of solid solutions at a mass ratio of 90:10, respectively, are mixed in a planetary mill for 5 minutes and heat treated at 1300 ° C for 3 hours. Preforms are formed from the resulting mixture by the method of semi-dry pressing, for example, at a pressing pressure of 100 MPa. A 5% solution of polyvinyl alcohol is used as a binder; it is also possible to use 6% paraffin in carbon tetrachloride as a binder. After molding, the temporary technological bundle is removed by heating the resistance in an electric furnace at a temperature of 1400 ° C for one and a half hours.

Затем заготовку помещают в вакуумную печь и нагревают до температуры 1800°С, при этом скорость подъема температуры составляет 300°С/ч, вакуум 10-4 мм рт.ст. Время выдержка при конечной температуре 6 часов. После охлаждения полученный материал шлифуют и полируют.Then the preform is placed in a vacuum oven and heated to a temperature of 1800 ° C, while the rate of temperature rise is 300 ° C / h, a vacuum of 10 -4 mm Hg The exposure time at the final temperature of 6 hours. After cooling, the resulting material is ground and polished.

Полученный материал имеет светопропускание 64,5%, плотность 99,85 от теоретической.The resulting material has a light transmission of 64.5%, a density of 99.85 of theoretical.

Пример 3Example 3

Были произведены операции в той же последовательности, как в примере А. При этом был получен состав твердого раствора: Y0,70Sc0,30O1,5 и состав твердого раствора наполнителя: Y3-3zAl5-5zSc8zO12, где z=0,45.The operations were performed in the same sequence as in example A. The solid solution composition was obtained: Y 0.70 Sc 0.30 O 1.5 and the composition of the solid filler solution: Y 3-3z Al 5-5z Sc 8z O 12 , where z = 0.45.

Полученные порошки упомянутых твердых растворов при в массовом соотношении 85:15, соответственно, смешивают в планетарной мельнице в течение 5 минут и термообрабатывают при 1300°С в течение 2 часов. Из полученной смеси формуют заготовки методом полусухого прессования, например, при давлении прессования 100 МПа. В качестве связки используют 5%-ный раствор поливинилового спирта, также возможно использование в качестве связки 6% парафина в четыреххлористом углероде. После формования удаляют временную технологическую связку путем нагрева в электропечи сопротивления при температуре 1450°С в течение часа.The obtained powders of the mentioned solid solutions at a mass ratio of 85:15, respectively, are mixed in a planetary mill for 5 minutes and heat treated at 1300 ° C for 2 hours. Preforms are formed from the resulting mixture by the method of semi-dry pressing, for example, at a pressing pressure of 100 MPa. A 5% solution of polyvinyl alcohol is used as a binder; it is also possible to use 6% paraffin in carbon tetrachloride as a binder. After molding, remove the temporary technological bundle by heating in an electric furnace resistance at a temperature of 1450 ° C for an hour.

Затем заготовку помещают в вакуумную печь и нагревают до температуры 1900°С, при этом скорость подъема температуры составляет от 400°С/ч, вакуум 10-4 мм рт.ст. Время выдержка при конечной температуре 6 часов. После охлаждения полученный материал шлифуют и полируют.Then the preform is placed in a vacuum oven and heated to a temperature of 1900 ° C, while the rate of temperature rise is from 400 ° C / h, a vacuum of 10 -4 mm Hg The exposure time at the final temperature of 6 hours. After cooling, the resulting material is ground and polished.

Полученный материал имеет светопропускание 64,9%, плотность 99,95 от теоретической.The resulting material has a light transmission of 64.9%, a density of 99.95 of theoretical.

Аналогичным образом синтезированы образцы при разных молярных соотношениях компонентов в твердом растворе оксида скандия в оксиде иттрия (при x от 0,25 до 0,35) и в твердом растворе оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате (при z от 0,20 до 0,45). Полученный вышеописанным способом прозрачный керамический материал в зависимости от общего количества оксида скандия в материале (x+z) имеет светопропускание 64-65%, при этом плотность материала составляет 99,65-99,99% от теоретической.Similarly, samples were synthesized at different molar ratios of the components in a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide (at x from 0.25 to 0.35) and in a solid solution of scandium oxide in yttrium-aluminum garnet (at z from 0.20 to 0, 45). The transparent ceramic material obtained by the above method, depending on the total amount of scandium oxide in the material (x + z), has a light transmission of 64-65%, while the density of the material is 99.65-99.99% of theoretical.

Полученные образцы керамического материала, изготовленные в соответствии с заявленным способом, имеют стабильные эксплуатационные характеристики:The obtained samples of ceramic material made in accordance with the claimed method have stable performance characteristics:

- диэлектрическая проницаемость при комнатной температуре и частоте 106 Гц - 11,8, тангенс угла диэлектрических потерь - 1·10-4;- dielectric constant at room temperature and a frequency of 10 6 Hz - 11.8, the tangent of the dielectric loss angle - 1 · 10 -4 ;

- термостойкость при теплосмене 1200°С - воздух - 28÷30 циклов, при теплосмене 1000°С - вода - 18÷20 циклов;- heat resistance during heat exchange of 1200 ° С - air - 28 ÷ 30 cycles, with heat exchange of 1000 ° С - water - 18 ÷ 20 cycles;

- теплопроводность 9 Вт/м·К;- thermal conductivity 9 W / m · K;

- предел прочности керамики при изгибе 320 МПа.- tensile strength of ceramics with a bend of 320 MPa.

Окраску материала можно изменить, а также дополнительно улучшить его светопропускание путем отжига на воздухе при температуре 1000°С в течение трех часов.The color of the material can be changed, and its light transmission can be further improved by annealing in air at a temperature of 1000 ° C for three hours.

Как видно из описания, предложенный способ обеспечивает получение прозрачного керамического материала при относительно невысокой температуре термообработки 1800-1900°С. При этом материал обладает варьируемым светопропусканием в диапазоне от 400 нм до 760 нм. Способ не требует высоких материальных затрат на производство.As can be seen from the description, the proposed method provides a transparent ceramic material at a relatively low heat treatment temperature of 1800-1900 ° C. Moreover, the material has a variable light transmission in the range from 400 nm to 760 nm. The method does not require high material costs of production.

Заявленный прозрачный керамический материал может быть использован в качестве подложек для микросхем, оболочек натриевых ламп высокого давления, для изоляторов в термоэмиссионных преобразователях и в оптоэлектронике, а при введении в него ионов-активаторов (Nd3+, Eu3+, Cr3+ и др.) материал эффективен в качестве рабочей среды твердотельного лазера.The declared transparent ceramic material can be used as substrates for microcircuits, shells of high-pressure sodium lamps, for insulators in thermionic converters and in optoelectronics, and when ion activators are introduced into it (Nd 3+ , Eu 3+ , Cr 3+ , etc. .) the material is effective as a working medium of a solid-state laser.

Claims (4)

1. Прозрачный керамический материал, содержащий матрицу, выполненную в виде твердого раствора оксида скандия в оксиде иттрия молярного состава Y1-xScxO1,5, где х=0,25-0,35, и наполнитель, выполненный в виде твердого раствора оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате, имеющего молярный состав Y3-3zAl5-5zSc8zO12, где z=0,20-0,45, при этом материал содержит упомянутые компоненты при следующем их соотношении, мас.%:
твердый раствор состава Y1-xScxO1,5 80-90 твердый раствор состава Y3-3zAl5-5zSc8zO12 10-20
1. A transparent ceramic material containing a matrix made in the form of a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide of a molar composition Y 1-x Sc x O 1.5 , where x = 0.25-0.35, and the filler made in the form of solid a solution of scandium oxide in yttrium-aluminum garnet having a molar composition of Y 3-3z Al 5-5z Sc 8z O 12 , where z = 0.20-0.45, while the material contains these components in the following ratio, wt.% :
solid solution composition Y 1-x Sc x O 1.5 80-90 solid solution composition Y 3-3z Al 5-5z Sc 8z O 12 10-20
2. Способ получения материала, охарактеризованного в п.1, заключающийся в перемешивании порошка твердого раствора оксида скандия в оксиде иттрия состава Y1-xScxO1,5, где х=0,25-0,35, и порошка твердого раствора оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате состава Y3-3zAl5-5zSc8zO12, где z=0,20-0,45, термообработке полученной смеси при 1300-1450°С в течение 1-3 ч, формовании с использованием временного связующего с последующей термообработкой до удаления упомянутого связующего, нагревании формованного материала в вакуумной печи до температуры 1800-1900°С со скоростью подъема температуры 200-400 град/ч, шлифовке и полировке.2. The method of obtaining the material described in claim 1, which consists in mixing the powder of a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide of the composition Y 1-x Sc x O 1.5 , where x = 0.25-0.35, and powder solid solution scandium oxide in yttrium-aluminum garnet of the composition Y 3-3z Al 5-5z Sc 8z O 12 , where z = 0.20-0.45, heat treatment of the mixture at 1300-1450 ° C for 1-3 hours, molding with using a temporary binder followed by heat treatment to remove said binder, heating the molded material in a vacuum oven to a temperature of 1800-1900 ° C from tew temperature rise 200-400 deg / h, grinding and polishing. 3. Способ по п.2, характеризующийся тем, что твердый раствор оксида скандия в оксиде иттрия получают осаждением карбоната иттрия с последующим измельчением полученного карбоната иттрия в присутствии раствора соли скандия и термическим разложением солевой смеси при температуре 1000°С.3. The method according to claim 2, characterized in that the solid solution of scandium oxide in yttrium oxide is obtained by precipitation of yttrium carbonate, followed by grinding the resulting yttrium carbonate in the presence of a solution of scandium salt and thermal decomposition of the salt mixture at a temperature of 1000 ° C. 4. Способ по п.2, характеризующийся тем, что твердый раствор оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате получают путем измельчения свежеосажденной смеси гидроксидов иттрия и алюминия в растворе соли скандия с последующей сушкой и термообработкой при 1100°С. 4. The method according to claim 2, characterized in that a solid solution of scandium oxide in yttrium-aluminum garnet is obtained by grinding a freshly precipitated mixture of yttrium and aluminum hydroxides in a solution of scandium salt, followed by drying and heat treatment at 1100 ° C.
RU2011106562/05A 2011-02-22 2011-02-22 Transparent ceramic material and method of obtaining it RU2473514C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011106562/05A RU2473514C2 (en) 2011-02-22 2011-02-22 Transparent ceramic material and method of obtaining it

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011106562/05A RU2473514C2 (en) 2011-02-22 2011-02-22 Transparent ceramic material and method of obtaining it

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011106562A RU2011106562A (en) 2012-08-27
RU2473514C2 true RU2473514C2 (en) 2013-01-27

Family

ID=46937367

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011106562/05A RU2473514C2 (en) 2011-02-22 2011-02-22 Transparent ceramic material and method of obtaining it

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2473514C2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2584187C1 (en) * 2015-01-19 2016-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук (ИХВВ РАН) Method of producing transparent ceramic of yttrium aluminium garnet
RU2689721C1 (en) * 2018-08-07 2019-05-29 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Method of producing high-stoichiometric nano-sized materials based on yttrium-aluminum garnet with rare-earth element oxides
RU2705848C1 (en) * 2018-08-07 2019-11-12 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof
RU2717158C1 (en) * 2019-06-24 2020-03-18 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ INORGANIC POLYCRYSTALLINE SCINTILLATOR BASED ON Sc, Er:YAG AND A METHOD FOR PRODUCTION THEREOF
RU2721548C1 (en) * 2019-06-24 2020-05-20 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Complex method of producing low-agglomerated high-stoichiometric nano-sized precursor powders based on yttrium-aluminium garnet with rare-earth element oxides
RU2836090C1 (en) * 2016-03-08 2025-03-11 ЛОУРЕНС ЛИВЕРМОР НЭЙШНЛ СЕКЬЮРИТИ, ЭлЭлСи Transparent ceramic scintillation detector with garnet structure for positron emission tomography

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080106010A1 (en) * 2006-11-07 2008-05-08 Gratson Gregory M Transparent Ceramic Material and Method of Manufacturing the Same
CN101386531A (en) * 2008-10-15 2009-03-18 南京工业大学 Preparation method of rare earth doped yttrium aluminum garnet transparent ceramic
WO2009038674A2 (en) * 2007-09-14 2009-03-26 The Penn State Research Foundation Method for manufacture of transparent ceramics
RU2009115895A (en) * 2009-04-28 2010-11-10 Общество с ограниченной ответственностью Центр Содействий Экспертизы и Сертификации "Бурлак" (RU) TRANSPARENT CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING IT

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080106010A1 (en) * 2006-11-07 2008-05-08 Gratson Gregory M Transparent Ceramic Material and Method of Manufacturing the Same
WO2009038674A2 (en) * 2007-09-14 2009-03-26 The Penn State Research Foundation Method for manufacture of transparent ceramics
CN101386531A (en) * 2008-10-15 2009-03-18 南京工业大学 Preparation method of rare earth doped yttrium aluminum garnet transparent ceramic
RU2009115895A (en) * 2009-04-28 2010-11-10 Общество с ограниченной ответственностью Центр Содействий Экспертизы и Сертификации "Бурлак" (RU) TRANSPARENT CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING IT

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2584187C1 (en) * 2015-01-19 2016-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук (ИХВВ РАН) Method of producing transparent ceramic of yttrium aluminium garnet
RU2836090C1 (en) * 2016-03-08 2025-03-11 ЛОУРЕНС ЛИВЕРМОР НЭЙШНЛ СЕКЬЮРИТИ, ЭлЭлСи Transparent ceramic scintillation detector with garnet structure for positron emission tomography
RU2689721C1 (en) * 2018-08-07 2019-05-29 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Method of producing high-stoichiometric nano-sized materials based on yttrium-aluminum garnet with rare-earth element oxides
RU2705848C1 (en) * 2018-08-07 2019-11-12 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof
RU2717158C1 (en) * 2019-06-24 2020-03-18 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ INORGANIC POLYCRYSTALLINE SCINTILLATOR BASED ON Sc, Er:YAG AND A METHOD FOR PRODUCTION THEREOF
RU2721548C1 (en) * 2019-06-24 2020-05-20 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Complex method of producing low-agglomerated high-stoichiometric nano-sized precursor powders based on yttrium-aluminium garnet with rare-earth element oxides

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011106562A (en) 2012-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Galashov et al. Synthesis of Y3Al5O12: Ce3+ phosphor in the Y2O3–Al metal–CeO2 ternary system
Xu et al. Synthesis of monodispersed spherical yttrium aluminum garnet (YAG) powders by a homogeneous precipitation method
RU2473514C2 (en) Transparent ceramic material and method of obtaining it
Zhao et al. Preparation and polymorph-sensitive luminescence properties of BiPO 4: Eu, Part I: room-temperature reaction followed by a heat treatment
Zhang et al. Co-precipitation synthesis and vacuum sintering of Nd: YAG powders for transparent ceramics
Liu et al. Fabrication of YAG transparent ceramics using carbonate precipitated yttria powder
Xie et al. Fabrication and spectral properties of Nd, La: CaF2 transparent ceramics
CN109678506B (en) Preparation method of erbium oxide transparent ceramic
Omar et al. Development and characterization studies of Eu3+-doped Zn2SiO4 phosphors with waste silicate sources
Cheng et al. Low-temperature solution synthesis and characterization of Ce-doped YAG nanoparticles
Ţucureanu et al. Effect of process parameters on YAG: Ce phosphor properties obtained by co-precipitation method
Zaidi et al. Phase stabilization and luminescence properties of Gd3Al5O12: Ce nanopowders prepared by Pechini method: Effect of pH and annealing temperature
Sun et al. Optical grade (Gd0. 95-xLuxEu0. 05) 3Al5O12 ceramics with near-zero optical loss: Effects of Lu3+ doping on structural feature, microstructure evolution, and far-red luminescence
Luo et al. Fabrication and spectral properties of hot-pressed Co: MgAl2O4 transparent ceramics for saturable absorber
CN108358635B (en) A kind of preparation method of magneto-optical holmium oxide transparent ceramics
Lu et al. Novel phenomenon on valence unvariation of doping ion in Yb: YAG transparent ceramics using MgO additives
RU2705848C1 (en) Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof
Yuan et al. Synthesis and characterization of Nd3+-doped CaF2 nanoparticles
Yuan et al. A novel topotactic transformation route towards monodispersed YOF: Ln 3+(Ln= Eu, Tb, Yb/Er, Yb/Tm) microcrystals with multicolor emissions
Nikova et al. Stable garnets in the Er2O3–Sc2O3–Al2O3 oxide system for optical ceramics application
Hou et al. Effects of the replacing content of ZnBr2 on the properties of ZnO–B2O3–SiO2: Mn2+ glass-ceramics
Ji et al. Thermal decomposition and evolved gas analysis of neodymium-doped yttrium aluminum garnet precursor prepared by co-precipitation
Abdulaeva et al. Soft chemistry synthesis of complex oxides using protonic form of titanates HLnTiO4 (Ln= La, Nd)
Baklanova et al. Blue-and white-emitting Dy3+-doped aluminum oxide prepared using precursor synthesis
CN104310454A (en) Process method of rare earth oxysulfide by using alkali chloride

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180223