D0I:10.13374/j.issnl001053x.2010.12.012 第32卷第12期 北京科技大学学报 Vol 32 N9 12 2010年12月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Des 2010 用于YAG透明陶瓷的喷雾造粒改性粉体的制备 刘媛1)郭旺”黄志1)黄秋风)唐飞1) 曹永革” 1)中国科学院福建物质结构研究所.福州3500022)中国科学院研究生院.北京100049 摘要通过喷雾造粒方法对共沉淀合成的纳米粉体进行改性，制备出球形的纳米颗粒.用XRD对粉体进行物相分析：用 TM观察了改性前粉体的颗粒形状、尺寸大小和团聚情况：用S迅M观察改性前后粉体的团聚体的颗粒形状、尺寸大小与分散 性，以及陶瓷热腐蚀抛光后的表面形貌.结果表明：PVB添加质量分数1%为最优添加量：改性后粉体所制素坯的密度显著 提高，从而影响陶瓷的致密度和晶界形貌：经真空烧结制备出相对密度达999%的无孔净晶界YAG透明陶瓷.陶瓷晶粒的 平均尺寸为10：咗右，尺寸分布较均匀，晶界清晰，晶粒中与晶界处较干净，无杂质与气孔的存在. 关键词喷雾造粒；纳米粉体；改性；Nd:YAG陶瓷：透明陶瓷：密度 分类号TQ1746 Preparaton ofmod ified powders by spray drying for transparent ceram ics of yt trium alum inum garnet LIU Yuan 2).GU Wang HUANG Zht 2).HUANGQiL feng)TANG Fe1.CAO Yong_ge 1)Fujan Instiue ofR esearch on he Stnucure ofMatter Chinese Academy of Sciences Fuzpu 3500(2 China 2)Gmdun eUniversity ofChinese Acdemy of Sciences Beijing10004.Chna ABSTRACT Nanopowders syntesized by a coprecp inton mehal weremol ified by spray dryng and spherical particles were pre Pared pr transparent ceramics of yttrium alum num gamet The Phases of he powders were analyzed by X-ray diffraction(XRD):he shape size and aggpmeration of the powders bepre modification were sud ed by tranm iss ion electron microscopy(TEM):the shape size and dispers on of he powders before and aftermodification wee characterized and the surface morphopgy of polished ceram ics after hot corrosion was also observed by scann ng e lectron m icroscopy(SEM).The resu lts show hat he PVB add it pn of1 0 is he best the density ofmolng samples by he mod ifed powders ncreases significanty thus nfuencng the density of the ceram ic and the mor phopgy of grain boundaries using he vacuum singering technology he density of the ceran ic is up D99 95%,he average gran siae is abat10m the size distribution is more un ipm the grans and boundaries are ckan he i purites and porosity do not exist KEY WORDS spray dryng nanopowder mod ification Nd:YAG ceran ig transparent ceram ics density 透明陶瓷是20世纪以来发展较为迅速的先进 备技术的基础上发展起来的，其工艺难点在于高性 材料之一，除具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、高绝 能粉体和净晶界无空隙陶瓷的制备.理想的陶瓷粉 缘和高强度等特性外，还具有优良的光学性能， 体应为高分散的球形颗粒)，制备出的高质量透明 因此广泛应用于国防工业与国民经济等领域中. 陶瓷密度接近理论值，晶界干净清晰，内部无孔隙 现阶段研究较多的透明陶瓷包括红外透明陶瓷，透 存在. 明闪烁陶瓷、激光透明陶瓷、透明装甲陶瓷和照明用 Nd:YAG(钕掺杂钇铝石榴石)透明陶瓷是研究 透明陶瓷等. 较多的透明陶瓷的一种.目前制备Nd:YAG透明陶 透明陶瓷制备技术是在纳米科学与先进陶瓷制 瓷的方法主要分为固相反应法和湿化学法两大类 收稿日期：2010-02-05 基金项目：福建省科技计划重点项目(N92008H0040) 作者简介：刘媛(1984-)，女，顾士研究生：曹水革(1970-)，男.研究员，博士，Ema时cong8@mgm
第 32卷 第 12期 2010年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.12 Dec.2010 用于 YAG透明陶瓷的喷雾造粒改性粉体的制备 刘 媛 1, 2) 郭 旺 1 ) 黄 志 1, 2) 黄秋风 1 ) 唐 飞 1, 2) 曹永革 1) 1)中国科学院福建物质结构研究所, 福州 350002 2 )中国科学院研究生院, 北京 100049 摘 要 通过喷雾造粒方法对共沉淀合成的纳米粉体进行改性, 制备出球形的纳米颗粒.用 XRD对粉体进行物相分析;用 TEM观察了改性前粉体的颗粒形状、尺寸大小和团聚情况;用 SEM观察改性前后粉体的团聚体的颗粒形状、尺寸大小与分散 性, 以及陶瓷热腐蚀抛光后的表面形貌.结果表明:PVB添加质量分数 1.0%为最优添加量;改性后粉体所制素坯的密度显著 提高, 从而影响陶瓷的致密度和晶界形貌;经真空烧结制备出相对密度达 99.95%的无孔净晶界 YAG透明陶瓷, 陶瓷晶粒的 平均尺寸为 10μm左右, 尺寸分布较均匀, 晶界清晰, 晶粒中与晶界处较干净, 无杂质与气孔的存在. 关键词 喷雾造粒;纳米粉体;改性;Nd∶YAG陶瓷;透明陶瓷;密度 分类号 TQ174.6 Preparationofmodifiedpowdersbyspraydryingfortransparentceramicsofyttrium aluminumgarnet LIUYuan1, 2) , GUOWang1) , HUANGZhi1, 2) , HUANGQiu-feng1) , TANGFei1 2) , CAOYong-ge1) 1) FujianInstituteofResearchontheStructureofMatter, ChineseAcademyofSciences, Fuzhou350002, China 2) GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing100049, China ABSTRACT Nanopowderssynthesizedbyaco-precipitationmethodweremodifiedbyspraydryingandsphericalparticleswerepreparedfortransparentceramicsofyttriumaluminumgarnet.ThephasesofthepowderswereanalyzedbyX-raydiffraction( XRD) ;the shape, sizeandagglomerationofthepowdersbeforemodificationwerestudiedbytransmissionelectronmicroscopy( TEM) ;theshape, sizeanddispersionofthepowdersbeforeandaftermodificationwerecharacterizedandthesurfacemorphologyofpolishedceramicsafter hotcorrosionwasalsoobservedbyscanningelectronmicroscopy( SEM) .TheresultsshowthatthePVBadditionof1.0% isthebest; thedensityofmoldingsamplesbythemodifiedpowdersincreasessignificantly, thusinfluencingthedensityoftheceramicandthemorphologyofgrainboundaries;usingthevacuumsinteringtechnology, thedensityoftheceramicisupto99.95%, theaveragegrainsize isabout10 μm, thesizedistributionismoreuniform, thegrainsandboundariesareclean, theimpuritiesandporositydonotexist. KEYWORDS spraydrying;nanopowder;modification;Nd∶YAGceramic;transparentceramics;density 收稿日期:2010--02--05 基金项目:福建省科技计划重点项目 ( No.2008H0040) 作者简介:刘 媛 ( 1984— ), 女, 硕士研究生;曹永革 ( 1970— ), 男, 研究员, 博士, E-mail:caoyongge@fjirsm.ac.cn 透明陶瓷是 20世纪以来发展较为迅速的先进 材料之一, 除具有陶瓷固有的耐高温 、耐腐蚀 、高绝 缘和高强度等特性 [ 1] 外, 还具有优良的光学性能, 因此广泛应用于国防工业与国民经济等领域中 [ 2] . 现阶段研究较多的透明陶瓷包括红外透明陶瓷 、透 明闪烁陶瓷 、激光透明陶瓷 、透明装甲陶瓷和照明用 透明陶瓷等 . 透明陶瓷制备技术是在纳米科学与先进陶瓷制 备技术的基础上发展起来的, 其工艺难点在于高性 能粉体和净晶界无空隙陶瓷的制备.理想的陶瓷粉 体应为高分散的球形颗粒 [ 3] , 制备出的高质量透明 陶瓷密度接近理论值, 晶界干净清晰, 内部无孔隙 存在 . Nd∶YAG(钕掺杂钇铝石榴石 )透明陶瓷是研究 较多的透明陶瓷的一种 .目前制备 Nd∶YAG透明陶 瓷的方法主要分为固相反应法和湿化学法两大类. DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.12.012
第12期 刘媛等：用于YAG透明陶瓷的喷雾造粒改性粉体的制备 ·1587 从发展趋势上看，湿化学法在大尺寸制备上更有优 6700F型扫描电镜(SM日本E)L公司)观察改性 势[4.湿化学法的首要条件是制备性能优异的纳米 前后粉体的团聚体的颗粒形状、尺寸大小与分散性， 粉体.共沉淀法是目前制备Nd YAG纳米粉体较为 以及陶瓷热腐蚀抛光后的表面形貌：用A004N型 成熟的工艺之一，成本低廉，方法简单，但其团聚问 电子天平（上海精密科学仪器有限公司）和密度测 题较难解决9.喷雾造粒是现阶段应用较广的一种 定组件测试了陶瓷样品的密度. 造粒方法，借助于液体蒸发直接从溶液或浆体中制 取细小颗粒，制成的粉料呈球形颗粒，分散性与 2结果与讨论 流动性较好，有利于提高素坯的密度，均匀性和烧结 2.1粉体表征 性能，因此本文通过喷雾造粒来改善粉体的团聚状 图1为1200C煅烧2h后所得Nd:YAG粉体的 态以制备高性能透明陶瓷 XRD图谱.由图中可明显看出，前驱体己完全转变 本文采用共沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体，通 为立方相YAG与标准的YAG衍射卡片对比，衍射 过喷雾造粒对粉体进行改性，优化其制备条件.利 峰的位置基本一致，无其他结晶相存在， 用真空烧结技术制备Nd:YAG透明陶瓷，重点研究 了Nd:YAG纳米粉体改性前、后的形貌和陶瓷的显 ●YAG 微结构 1实验 1.1粉体制备 以Y(Ng)ANO)3NdNg)3为原料，按 班 照Nd2Y8A,q2分子的化学计量进行称量，以 20 40 60 醇-水体系为溶剂配置成金属母液：采用碳酸氢铵 26) 为沉淀剂，在搅拌下，将金属母液以5mm前'的 图11200C缎烧2h垢所得Nd:YAG粉体的XRD图谱 速度滴加到过量的碳酸氢铵溶液中，陈化，抽滤，反 Fg I X-may diffractin XRD)pattem of Nd:YAG powders cal 复水洗、醇洗，将得到的滤饼在55℃干燥24h粉碎 cined at200℃for2h 过200目筛，1200℃煅烧2h得原子分数为2%的 图2为1200℃煅烧2h后所得Nd:YAG粉体的 Nd:YAG粉体. EM照片.从图中可看出，晶粒近似球形，尺寸为 1.2喷雾造粒 100左右，粒径分布均匀，较少有长链状存在，颗 以乙醇为介质、H)S正硅酸乙酯)为烧结助 粒边界清晰，烧结颈较少 剂、PB(聚乙烯醇缩丁醛)为黏结剂，与Nd:YAG 粉体混合球磨24h其中，调节各表面活性剂的含量 和配比，得稳定性和流动性好的浆料：将浆料通过 290型喷雾干燥机（瑞士Bu©讼司）进行喷雾造 粒.造粒过程调节进口和出口温度、进料速度等，以 获得较好粉体. 1.3真空烧结 将改性后的粉体通过干压、冷等静压成型得陶 0.2m 瓷素坯，于800℃在氧气气氛下排胶10h其后将素 坯在1700℃真空烧结，保温5h所制备的Nd YAG 图21200℃搬烧2h后所得Nd:YAG粉体的TM儡片 陶瓷在氧化气氛中进行退火处理，样品双面抛光 Fg2 Transmission electron micoscopy TEM)mage of Nd:YAG powders calcined at 1 200C pr2 h 1.4粉体表征与性能测试 用X'Pert PRO型X射线粉末衍射仪(XRD荷 2.2黏结剂不同用量对粉体形貌的影响 兰Panlangti公司)对粉体进行物相分析：用卧M- 喷雾造粒实际是一个液相蒸发的物理过程.通 2010型透射电镜(T团M日本EOL公司)观察改性 过球磨，黏结剂与分散剂等高分子物质填充、包裹以 前粉体的颗粒形状、尺寸大小和团聚情况：用JSM 及渗合在粉末颗粒之间，温度升高，浆料在一定温度
第 12期 刘 媛等:用于 YAG透明陶瓷的喷雾造粒改性粉体的制备 从发展趋势上看, 湿化学法在大尺寸制备上更有优 势 [ 4] .湿化学法的首要条件是制备性能优异的纳米 粉体.共沉淀法是目前制备 Nd:YAG纳米粉体较为 成熟的工艺之一, 成本低廉, 方法简单, 但其团聚问 题较难解决 [ 5] .喷雾造粒是现阶段应用较广的一种 造粒方法, 借助于液体蒸发直接从溶液或浆体中制 取细小颗粒 [ 6] , 制成的粉料呈球形颗粒, 分散性与 流动性较好, 有利于提高素坯的密度 、均匀性和烧结 性能, 因此本文通过喷雾造粒来改善粉体的团聚状 态以制备高性能透明陶瓷 . 本文采用共沉淀法制备 Nd∶YAG纳米粉体, 通 过喷雾造粒对粉体进行改性, 优化其制备条件.利 用真空烧结技术制备 Nd∶YAG透明陶瓷, 重点研究 了 Nd∶YAG纳米粉体改性前、后的形貌和陶瓷的显 微结构 . 1 实验 1.1 粉体制备 以 Y( NO3 ) 3 、Al( NO3 ) 3 、Nd( NO3 ) 3为原料, 按 照 Nd0.02Y2.98 Al5 O12分子的化学计量进行称量, 以 醇 --水体系为溶剂配置成金属母液;采用碳酸氢铵 为沉淀剂, 在搅拌下, 将金属母液以 5 mL·min -1的 速度滴加到过量的碳酸氢铵溶液中, 陈化, 抽滤, 反 复水洗 、醇洗, 将得到的滤饼在 55 ℃干燥 24 h, 粉碎 过 200目筛, 1 200 ℃煅烧 2 h得原子分数为 2%的 Nd∶YAG粉体. 1.2 喷雾造粒 以乙醇为介质 、TEOS(正硅酸乙酯 ) 为烧结助 剂 、PVB(聚乙烯醇缩丁醛 )为黏结剂, 与 Nd∶YAG 粉体混合球磨24 h.其中, 调节各表面活性剂的含量 和配比, 得稳定性和流动性好的浆料 ;将浆料通过 B290型喷雾干燥机 (瑞士 Buchi公司 ) 进行喷雾造 粒 .造粒过程调节进口和出口温度、进料速度等, 以 获得较好粉体. 1.3 真空烧结 将改性后的粉体通过干压、冷等静压成型得陶 瓷素坯, 于 800 ℃在氧气气氛下排胶 10 h;其后将素 坯在 1700℃真空烧结, 保温 5 h.所制备的 Nd:YAG 陶瓷在氧化气氛中进行退火处理, 样品双面抛光. 1.4 粉体表征与性能测试 用 X′PertPRO型 X射线粉末衍射仪 ( XRD, 荷 兰 Panlangtic公司 )对粉体进行物相分析;用 JEM-- 2010型透射电镜 ( TEM, 日本 JEOL公司 )观察改性 前粉体的颗粒形状、尺寸大小和团聚情况 ;用 JSM-- 6700F型扫描电镜 ( SEM, 日本 JEOL公司 )观察改性 前后粉体的团聚体的颗粒形状、尺寸大小与分散性, 以及陶瓷热腐蚀抛光后的表面形貌 ;用 FA1004N型 电子天平 (上海精密科学仪器有限公司 ) 和密度测 定组件测试了陶瓷样品的密度. 2 结果与讨论 2.1 粉体表征 图 1为 1200℃煅烧 2 h后所得 Nd∶YAG粉体的 XRD图谱 .由图中可明显看出, 前驱体已完全转变 为立方相 YAG, 与标准的 YAG衍射卡片对比, 衍射 峰的位置基本一致, 无其他结晶相存在 . 图 1 1 200℃煅烧 2h后所得 Nd∶YAG粉体的 XRD图谱 Fig.1 X-raydiffraction( XRD) patternofNd∶YAGpowderscalcinedat1 200℃ for2h 图 2为 1200℃煅烧 2 h后所得 Nd∶YAG粉体的 TEM照片.从图中可看出, 晶粒近似球形, 尺寸为 100 nm左右, 粒径分布均匀, 较少有长链状存在, 颗 粒边界清晰, 烧结颈较少 . 图 2 1 200℃煅烧 2h后所得 Nd∶YAG粉体的 TEM照片 Fig.2 Transmissionelectronmicroscopy( TEM) imageofNd∶YAG powderscalcinedat1 200℃ for2h 2.2 黏结剂不同用量对粉体形貌的影响 喷雾造粒实际是一个液相蒸发的物理过程 .通 过球磨, 黏结剂与分散剂等高分子物质填充 、包裹以 及渗合在粉末颗粒之间, 温度升高, 浆料在一定温度 · 1587·
·1588 北京科技大学学报 第32卷 在下瞬时雾化，使粉体与溶液气体隔离，高分子物质 的SM图片.由图3可看出：改性前粉体的团聚体 的基链不断发生断裂，冲散粉末团聚体之间的团聚， (图3(9)为不规则形状，结构松散，分散性差：改性后 从而形成含有一定有机成分的细小颗粒，此颗粒在 添加质量分数1.0%VB的粉体团聚体（图3(G) 高速离心作用下变成球状颗粒. 为规则球形，结构紧实，分散性好，具有良好的流动 图3为添加不同黏结剂B的粉体改性前、后 性，存在颗粒级配，从而有利于后期成型与烧结. (b) 10m 10m 10 gm 10m 图3粉体改性前(3和改性后(b94的SM照片.（改性前：(PVB06:(9PVB1.5%:(山VBL% Fig3 Scanning electmn m icroscope SEM)magesofNd YAG powders be fore (a)and afer malifica tip (b PVB:(9 PVB 1.: (d PVB1 结合上述分析与实验结果可见：对YAG粉体的 的成型方式与成型压力，改性前粉体所制的素坯密 喷雾造粒过程而言，PV的添加量以1.0%为优：低 度最低，仅为理论密度的39.61%，改性后粉体所制 于1.0%（图3(b)时，PVB不能有效冲散YAG团 素坯的密度显著提高，其中添加L.0%P的素坯 聚体间的团聚，喷雾所得颗粒形状不规则，多有凹 密度最高，达45.57%. 陷、包裹状存在；高于1.0%（图3(9）时，PVB断 表1 Nd:YAG成型素坯与陶瓷样品的密度 裂所产生的基链过多，所得颗粒较小，颗粒级配不明 Table 1 Densities ofNd:YAG moling samples and cerm ic samp les 显，不利于后期成型与烧结 样品编号 素坯相对密度% 陶瓷相对密度% 2.3粉体形貌对素胚密度、陶瓷致密度及形貌的影 39.61 9812 响 b 4253 99.11 表1为Nd:YAG城型素坯与真空烧结陶瓷样 4474 99.36 品的密度测量数据.干压成型是应用最广的成型方 d 4557 99.95 法之一，其操作简单、周期短和效率高，但缺点在于 注：Nd:YAG陶瓷的理论密度为455&amr3 压模内各部分的压力不相等，所成型素坯密度不均， 且成型压力越大，该现象越明显，后续的冷等静压成 根据文献资料，对于氧化镁体系，素坯密度增 型工艺并不能改善其己形成的缺陷.在干压成型的 加，则烧结体透过率提高8；对于Z(3)陶瓷 影响因素中，粉末形状与颗粒级配对于干压成型的 素坯的初始密度越高，则在相同的烧结温度，达到的 影响较大，表面平滑规则、接近球形的粉末流动性 相对密度越高1.可见，在烧结过程中，颗粒表面的 好，易于充填模腔，使素坯的密度分布均匀；压制时， 不完全接触是阻碍烧结的因素之一，素坯密度提 因良好的流动性、规则形状和颗粒级配的存在，粉末 高，则颗粒间的不完全接触减少，有助于烧结过程的 间的接触面积增加，素坯密度易于提高。采用相同 进行：同时，素坯密度增大，则其中气孔的孔径就越
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 在下瞬时雾化, 使粉体与溶液气体隔离, 高分子物质 的基链不断发生断裂, 冲散粉末团聚体之间的团聚, 从而形成含有一定有机成分的细小颗粒, 此颗粒在 高速离心作用下变成球状颗粒 [ 7] . 图 3为添加不同黏结剂 PVB的粉体改性前 、后 的 SEM图片.由图 3 可看出 :改性前粉体的团聚体 (图 3( a) )为不规则形状,结构松散, 分散性差;改性后 添加质量分数 1.0% PVB的粉体团聚体 (图 3( d) ) 为规则球形, 结构紧实, 分散性好, 具有良好的流动 性, 存在颗粒级配, 从而有利于后期成型与烧结. 图 3 粉体改性前 ( a)和改性后 ( b, c, d)的 SEM照片 .(a)改性前;( b) PVB0.5%;(c) PVB1.5%;( d) PVB1.0% Fig.3 Scanningelectronmicroscope( SEM) imagesofNd:YAGpowdersbefore( a) andaftermodification:( b) PVB0.5%;( c) PVB1.5%; (d) PVB1.0% 结合上述分析与实验结果可见:对 YAG粉体的 喷雾造粒过程而言, PVB的添加量以 1.0%为优 ;低 于 1.0% (图 3( b) )时, PVB不能有效冲散 YAG团 聚体间的团聚, 喷雾所得颗粒形状不规则, 多有凹 陷 、包裹状存在 ;高于 1.0% (图 3( c) )时, PVB断 裂所产生的基链过多, 所得颗粒较小, 颗粒级配不明 显, 不利于后期成型与烧结 . 2.3 粉体形貌对素胚密度、陶瓷致密度及形貌的影 响 表 1为 Nd∶YAG成型素坯与真空烧结陶瓷样 品的密度测量数据.干压成型是应用最广的成型方 法之一, 其操作简单 、周期短和效率高, 但缺点在于 压模内各部分的压力不相等, 所成型素坯密度不均, 且成型压力越大, 该现象越明显, 后续的冷等静压成 型工艺并不能改善其已形成的缺陷.在干压成型的 影响因素中, 粉末形状与颗粒级配对于干压成型的 影响较大, 表面平滑规则 、接近球形的粉末流动性 好, 易于充填模腔, 使素坯的密度分布均匀 ;压制时, 因良好的流动性 、规则形状和颗粒级配的存在, 粉末 间的接触面积增加, 素坯密度易于提高.采用相同 的成型方式与成型压力, 改性前粉体所制的素坯密 度最低, 仅为理论密度的 39.61%, 改性后粉体所制 素坯的密度显著提高, 其中添加 1.0% PVB的素坯 密度最高, 达 45.57%. 表 1 Nd∶YAG成型素坯与陶瓷样品的密度 Table1 DensitiesofNd∶YAGmoldingsamplesandceramicsamples 样品编号 素坯相对密度 /% 陶瓷相对密度 /% a 39.61 98.12 b 42.53 99.11 c 44.74 99.36 d 45.57 99.95 注:Nd∶YAG陶瓷的理论密度为 4.55g·cm-3. 根据文献资料, 对于氧化镁体系, 素坯密度增 加, 则烧结体透过率提高 [ 8] ;对于 ZrO2 ( 3Y)陶瓷, 素坯的初始密度越高, 则在相同的烧结温度, 达到的 相对密度越高 [ 3] .可见, 在烧结过程中, 颗粒表面的 不完全接触是阻碍烧结的因素之一.素坯密度提 高, 则颗粒间的不完全接触减少, 有助于烧结过程的 进行 ;同时, 素坯密度增大, 则其中气孔的孔径就越 · 1588·
第12期 刘媛等：用于YAG透明陶瓷的喷雾造粒改性粉体的制备 ·1589 小，从而烧结应力增加，促进烧结的进行. 优，其密度接近Nd:YAG透明陶瓷的理论密度，为 图4为图3对应的粉体所制备的Nd:YAG陶瓷 理论密度的99.95%，陶瓷晶粒的平均尺寸为10μm 样品经双面抛光、热腐蚀后所测的SM照片.结合 左右，尺寸分布较均匀，晶品界清晰，品粒中与晶界处 两种测试手段可看出：采用改性前粉体制得的陶瓷 较干净，无杂质与气孔的存在，其陶瓷样品照片如 (图4(3)密度较低，其中部分晶粒形状不规则，且 图5所示而添加0.5%VB(图4(b)和1.5% 晶界处有少量气孔存在.采用改性后粉体所制陶瓷 VB(图4(9)的陶瓷中仍有少量气孔存在，且晶 中以添加质量分数1.0%VB(图4()的样品为 界较模糊. (b) 10μm 10m 10m 10 gm 图4NdYG透明陶瓷表面品界的SBM照片.（号改性前粉体：(VB0.6:(9VBL.%:(VB1.0% Fig4 SMm icrostrucuresofNd:YAG transparent ceram is prepaedwih diferentNd:YAG pavders be premodifcatn (b PVB0 (9PVB1.%:(WB1.% 为优. (3)在相同压力下，改性后粉体所制素坯的密 Nd:YAG陶瓷 度显著提高，从而影响陶瓷的致密度和晶界形貌，结 中国科学院福建物质结构研究所 合真空烧结技术，高分散的球形粉体可制得无孔净 晶界的高致密陶瓷 567891011121 参考文献 图5Nd:YAG透明陶瓷样品的照片 [I]Chen ZH On he Synhesis ofYAG Nancpowders and Fabrication Fg 5 Picture of a Nd :YAG tansparent ceram ic sample ofTransnrent YNG Cerami Disseration].Beijing G mduate Un iversity ofChinese Academy of Scences 2007 3 3结论 (陈智慧.钇铝石榴石纳米粉体以及YAG透明陶瓷的制备研 究[学位论文1.北京：中国科学院研究生院，200？3) (1)通过喷雾造粒对粉体进行改性，可明显改 Jang D L Transpaen ceram i one of the most mponant fiel of research and devebim ent of inoganic ma terals J hog Mater 变粉体团聚体的形状与分散性，利于后期成型与 2009245:873 烧结. (江东亮.透明陶瓷一无机材料研究与发展重要方向之一· (2)喷雾造粒过程中黏结剂PVB通过基链的断 无机材料学报，2009245)：873) 裂，冲散YAG团聚体之间的团聚，加以高速离心作 【3犭Gaol LiW.NarCeramic5 Beijng Chen ical Industy Press 用力，制得分散的球形颗粒，且其添加量以1.0% 2002
第 12期 刘 媛等:用于 YAG透明陶瓷的喷雾造粒改性粉体的制备 小, 从而烧结应力增加, 促进烧结的进行. 图 4为图 3对应的粉体所制备的 Nd∶YAG陶瓷 样品经双面抛光 、热腐蚀后所测的 SEM照片.结合 两种测试手段可看出:采用改性前粉体制得的陶瓷 (图 4( a) )密度较低, 其中部分晶粒形状不规则, 且 晶界处有少量气孔存在.采用改性后粉体所制陶瓷 中以添加质量分数 1.0% PVB(图 4( d) )的样品为 优, 其密度接近 Nd∶YAG透明陶瓷的理论密度, 为 理论密度的 99.95%, 陶瓷晶粒的平均尺寸为 10 μm 左右, 尺寸分布较均匀, 晶界清晰, 晶粒中与晶界处 较干净, 无杂质与气孔的存在, 其陶瓷样品照片如 图 5所示;而添加 0.5% PVB(图 4( b) ) 和 1.5% PVB(图 4( c) ) 的陶瓷中仍有少量气孔存在, 且晶 界较模糊 . 图 4 Nd∶YAG透明陶瓷表面晶界的 SEM照片.( a)改性前粉体;( b) PVB0.5%;( c) PVB1.5%;( d) PVB1.0% Fig.4 SEMmicrostructuresofNd∶YAGtransparentceramicspreparedwithdifferentNd∶YAGpowders:( a) beforemodification;( b) PVB0.5%; (c) PVB1.5%;( d) PVB1.0% 图 5 Nd∶YAG透明陶瓷样品的照片 Fig.5 PictureofaNd∶YAGtransparentceramicsample 3 结论 ( 1)通过喷雾造粒对粉体进行改性, 可明显改 变粉体团聚体的形状与分散性, 利于后期成型与 烧结. ( 2)喷雾造粒过程中黏结剂 PVB通过基链的断 裂, 冲散 YAG团聚体之间的团聚, 加以高速离心作 用力, 制得分散的球形颗粒, 且其添加量以 1.0% 为优 . ( 3)在相同压力下, 改性后粉体所制素坯的密 度显著提高, 从而影响陶瓷的致密度和晶界形貌, 结 合真空烧结技术, 高分散的球形粉体可制得无孔净 晶界的高致密陶瓷 . 参 考 文 献 [ 1] ChenZH.OntheSynthesisofYAGNanopowdersandFabrication ofTransparentYAG Ceramic[ Dissertation] .Beijing:Graduate UniversityofChineseAcademyofSciences, 2007:3 (陈智慧.钇铝石榴石纳米粉体以及 YAG透明陶瓷的制备研 究[ 学位论文] .北京:中国科学院研究生院, 2007:3 ) [ 2] JiangDL.Transparenceramic— oneofthemostimportantfieldof researchanddevelopmentofinorganicmaterials.JInorgMater, 2009, 24( 5 ):873 (江东亮.透明陶瓷———无机材料研究与发展重要方向之一. 无机材料学报, 2009, 24( 5 ) :873) [ 3] GaoL, LiW.Nano-Ceramics.Beijing:ChemicalIndustryPress, 2002 · 1589·
。1590 北京科技大学学报 第32卷 高濂，李蔚.纳米陶瓷.北京：化学工业出版社，2002 中国粉体技术，2005(2片44) [4 YgiH YanagitaniT TakaichiK et al Chamceriza tions and 【7Wu↓Li ZH Zhang LX Efect of binder and dispersant a hser perpmances of hghly transparentNd+:YA]02 hser ce spmydried PSZ3Y powders Chn JRareMet 2004 28(6} rm ics OPtMater 2007.29 1258 983 5]Zheng J GouL Ran JG et a]Study an dispersing ofNd:YAG (吴亮，林振汉，张玲秀.黏结剂和分散剂对喷雾干燥-3Y powder Chem ResAPP]2008 20(7}900 粉末性能的影响.稀有金属，200428(6)：983) (郑吉，苟立，冉均国，等.NYAG粉体的分散性研究.化学 Yanagya T YamaakiY YagiH et利Tmnsar知tSne 研究与应用，200820(7)：900) Magnesia and Its Manufacuring Process Japan Patent 2007- [6 Fu XH Shen ZG Review an mopholcgies and strucure ofvari 2541912007-10-04 ous gmnukes fms in spmy granultion China Powder SciTechn 柳谷高公，山崎裕生，八木秀喜，等.透光性酸化マ夕ネ力 g2005(2:44 ㄙ焕结体及少冬の减造方法：日本，特开2007-2541912007- (傅宪辉，沈志刚.喷雾造粒中形成的各种颗粒形貌和结构. 10-04 (上接第1579页) 【山LuOQH YuD↓LuY H etal Microstucures and ekctrical annealing Properties ofmultilayer cabon fims Surf Coat Techn conductivity ofamophos ALCN fim Chin J Vacum SciTech 02005198(1/3):217 no1201030(2:138 [14 Deng Z W.Souda R Synthesis and themal decmposition of (罗庆洪，于栋利，陆永浩，等.A上C-N啡晶薄膜结构及导电 cabon nitride fims prepaed by nitrogen ion mplntation no 性研究.真空科学与技术学报，201030(2)：138) graphit误Thin Soli日Fitm52002406(1/2):46 12]Zhau M J W angS E OngCW.et a]Microstructure and me [15 NiW Y ChengY T Grunman D$Recovery ofm icrondents chanical poperties of B4C fims deposited by on bea pute n a nickeltitnim shapememory alky a"selfhea ling effect rng Thin Solid F ims 2007.516(2/4):336 APpl PhysLett 2002 80(18):3311 13]MCulbchD G XiaoX I,Peng Jl et a]The sructure and
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