[发明专利]氧化镱铽磁光透明陶瓷基纳米粉体的合成方法、氧化镱铽磁光透明陶瓷及制备方法

说明书

本发明涉及陶瓷工艺及喷雾共沉淀方法，公开了一种氧化镱铽磁光透明陶瓷基纳米粉体的合成方法、氧化镱铽磁光透明陶瓷及制备方法，以Yb³⁺、Tb³⁺共存的阳离子盐溶液和沉淀剂溶液为原料，将阳离子盐溶液以喷雾形式喷入到沉淀剂溶液中进行反应；喷雾沉淀结束后，搅拌、陈化，得到氧化镱铽沉淀前驱体，洗涤、烘干、筛分及煅烧得到氧化镱铽纳米粉体；将纳米粉体制成素坯，氮氢混合气气氛中以1500‑1550℃还原烧结6‑10h，获得氧化镱铽磁光透明陶瓷。本发明采用喷雾形式代替现有技术的滴加方式使阳离子盐溶液与沉淀剂溶液混合反应，大大提升粉体的分散性，制备的粉体粒径小、纯度高，采用该粉体制备的陶瓷无杂质峰、无气孔，晶粒尺寸均匀。

技术领域

本发明涉及磁光稀土氧化物的粉体合成和陶瓷制备技术领域，特别涉及到喷雾共沉淀法合成(Tb_xYb_1-x)₂O₃纳米粉体，经过氢气气氛中的还原烧结方法制备氧化镱铽磁光透明陶瓷。

背景技术

近年来，基于磁光材料法拉第效应的光隔离器受到广泛关注，在光纤通信以及光纤传感等领域具有重要的作用。目前研究而言，作为光隔离器核心器件的磁光材料分为三类：磁光晶体、磁光玻璃、磁光陶瓷。其中，磁光陶瓷由于其制备温度较低，光学、力学性能好，功率损耗小，且易大尺寸生产，被广泛应用于高功率激光系统中。

目前磁光陶瓷主要包括石榴石结构和倍半氧化物两种类型，包括石榴石如钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂，YIG)、铽铝石榴石(Tb₃Al₅O₁₂，TAG)、铽镓石榴石 (Tb₃Ga₅O₁₂，TGG)等，但由于石榴石陶瓷在制备过程中易出现杂相，且Verdet 常数相对较低，因此无法应用于磁光性能要求较高的法拉第效应元件中。倍半氧化物主要结构为Re₂O₃，Re³⁺为具有磁光效应的稀土离子，其中Tb³⁺离子吸收峰少，光学性质良好，受到各界科研工作者的广泛关注。但是Tb³⁺在高温含氧环境下容易氧化成Tb⁴⁺而导致材料的磁光性能消失，表现为过程中产生富氧的 Tb氧化物杂相，导致制备样品光学质量差，样品开裂等问题，成为Tb₂O₃磁光陶瓷研究的难点。

解决Tb离子氧化的最有效方法之一是通过固溶引入稳定的三价离子，形成连续固溶体，稳定晶体结构。常见的方法是引入Y离子、Lu离子、Sc离子等价态稳定同时不发光的离子。但是，由于这些离子的离子半径和离子质量与Tb差别较大，引入后会导致热导率降低而影响材料性能。Yb离子虽然是常见的稀土发光离子，但在氧化铽作为隔离器的使用波长范围(1微米左右)，没有光学吸收，不会影响材料使用性能，同时价态稳定，相对而言离子半径与尺寸与Tb离子接近，对热导率降低的影响较小。同时，我们发现Yb的引入还可以起到烧结助剂的作用，有利于陶瓷的光学质量的提升。

目前制备Tb₂O₃基粉体的方法主要包括氢气还原、固相球磨法和自蔓延高温合成法等。2016年俄罗斯科学家Snetkov通过自蔓延高温合成法(SHS)，成功制备出粒径为3μm的微米级Tb₂O₃粉体颗粒。但相较而言，共沉淀法制备粉体粒径约为50-100nm，平均颗粒尺寸更小，比表面积更大，烧结活性更强，并且更易掺杂其他稀土离子，能够制备出纯度更高的氧化铽纳米粉体。

在目前研究过程中，绝大多数共沉淀法均采用普通滴定的方法，滴定速度控制在2-5mL/min，工作效率较低，制备时间长，且粉体均匀性较差，易产生团聚。

发明内容