專利名稱：一種具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料及其制備方法，屬于電光陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電光材料是一類(lèi)折射率在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生變化的材料，利用這種獨(dú)特的性質(zhì)， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的強(qiáng)度及相位進(jìn)行調(diào)制，因此電光材料可以作為可變光衰減器、光快門(mén)、光開(kāi)關(guān)等光學(xué)器件，在光通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前使用的電光材料包括KDP單晶、鈮酸鋰單晶、PLZT和PMN-PT透明鐵電陶瓷等。KDP單晶易于生長(zhǎng)，抗光損傷能力強(qiáng)，但是其電光系數(shù)小，并且易潮解，因此KDP單晶只在部分領(lǐng)域得到了應(yīng)用。另一種電光材料鈮酸鋰單晶具有相對(duì)較高的電光性能，因此在光通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是鈮酸鋰單晶生長(zhǎng)成本高，大尺寸化困難；另外這種材料抗光損傷能力較差，并且電光特性溫度穩(wěn)定性不高，因此對(duì)其應(yīng)用造成了一定的限制。鑒于單晶電光材料的種種局限，透明電光陶瓷材料成了電光材料的重要發(fā)展方向。美國(guó)Harteling等人在上世紀(jì)70年代率先研制出透明PLZT陶瓷，開(kāi)創(chuàng)了鐵電陶瓷在電光領(lǐng)域的新應(yīng)用。這種材料具有較好的透過(guò)率、高電光系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于這種材料具有較明顯的回線特性，同時(shí)這種材料電光特性的溫度穩(wěn)定性較差，因此一直未能得到實(shí)際使用。透明PMN-PT電光陶瓷是一種新型高性能電光材料，研究顯示，其電光性能較鈮酸鋰單晶高100倍，較PLZT陶瓷也有數(shù)倍的提高，是一種有潛力的電光材料。但是這種材料較難制備透明，迄今為止，僅美國(guó)BATI公司能制備出高透過(guò)率的PMN-PT電光陶瓷。目前大部分關(guān)于透明電光陶瓷的研究都是關(guān)注其電光應(yīng)用，但是在很多應(yīng)用場(chǎng)合，需要材料同時(shí)具有發(fā)光和電光兩種特性，這樣將能大大簡(jiǎn)化光學(xué)器件的設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出全新的應(yīng)用。目前研究的發(fā)光材料大部分都是基于稀土摻雜的氧化物發(fā)光材料，如稀土摻雜的氧化鋁及YAG，這些材料有著較高的發(fā)光效率，但是這種材料只有單一的發(fā)光特性。國(guó)外研究者在PLZT陶瓷中加入Nd、Er等稀土元素，發(fā)現(xiàn)這種材料具有良好的發(fā)光特性，因此可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光、電光雙重應(yīng)用。如前所述，盡管稀土摻雜的PLZT陶瓷具有電光及發(fā)光性能，但是由于其電光系數(shù)較低，因此有必要開(kāi)發(fā)具有更高電光、發(fā)光性能的新型多功能陶瓷材料。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)制備的陶瓷材料存在的只具備光電特性或具備光電及發(fā)光性能但電光系數(shù)較低等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明光電陶瓷材料及其制備方法，以滿足制備光通信、固體發(fā)光及其它新型光學(xué)器件的性能要求。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下—種具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料，其組成通式為(l-x) Pb1^yLay (Mgl73Nb273) O3-XPbT ιν403+ζ (aEr203+ (1-a) Yb2O3),其中x，y 為摩爾比，且0. 05彡χ彡0. 55、0彡y彡0. 10 ;z為重量比，以PMN-PT陶瓷粉體總重量計(jì)，且滿足 0. 005 ^ ζ ^ 0. 10 ；a為摩爾比，且滿足0. 20彡a彡1. 0。作為優(yōu)選方案，所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的組成通式中的 0. 1 彡 χ 彡 0. 5、0 彡 y 彡 0. 05,0. 01 彡 ζ 彡 0. 05,0. 50 彡 a 彡 1. 0。作為最佳方案，所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的組成通式中的 χ = 0. 25、y = 0. 03、ζ = 0. 02、a = 1. 0 ；或者，χ = 0. 26、y = 0. 01、ζ = 0. 01、a = 0. 7。所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟a)按照MgNb2O6通式精確稱量化學(xué)計(jì)量比的M^CO3和Nb2O5，經(jīng)球磨、煅燒、再次球磨步驟，制得MgNb2O6陶瓷粉體；b)按照(1-x) PlvyLEiy (Ifev3Nb2Z3)O3-XPbTi1^4O3 通式精確稱量化學(xué)計(jì)量比的 Pb304、 TiO2或Pb304、TiO2, La2O3加入步驟a)制得的MgNb2O6陶瓷粉體中，經(jīng)球磨、煅燒、再次球磨步驟，制得PMN-PT或鑭摻雜的PMN-PT陶瓷粉體；C)按照(I-X) Pb1^yLay (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiiv4Ojz (aEr203+(1-a) Yb2O3)通式精確稱量化學(xué)計(jì)量比的Er2O3或Er203、Yb2O3加入步驟b)制得的PMN-PT或鑭摻雜的PMN-PT陶瓷粉體中，球磨，干燥；d)加入粘結(jié)劑，造粒，壓制成型，排塑；e)進(jìn)行二步法燒結(jié)先在氧氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)，再在熱壓爐中加壓燒結(jié)，即得具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料。所述的球磨推薦采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨2 6小時(shí)。步驟a)中的煅燒溫度推薦為900 1200°C。步驟b)中的煅燒溫度推薦為800 1000°C。所述的壓制成型推薦用200MPa的壓力干壓成直徑為20mm的圓片。所述的無(wú)壓燒結(jié)推薦為在1150 1250°C燒結(jié)1 6小時(shí)。所述的加壓燒結(jié)推薦為在1050 1300°C及40 IOOMPa下燒結(jié)6 15小時(shí)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的陶瓷材料的透過(guò)率可達(dá)55%以上，二次電光系數(shù)可達(dá)(10 20) X 10_16m7v2，且在980nm激光的激發(fā)下具有良好的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能，為具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料，可滿足其應(yīng)用在光通信、固體發(fā)光及其它新型光學(xué)器件中的性能要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。并且，本發(fā)明的制備方法具有操作簡(jiǎn)單，周期短， 成本較低和易于規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為實(shí)施例1制得的陶瓷材料的XRD譜圖。圖2為實(shí)施例1制得的陶瓷材料的透過(guò)率曲線圖。圖3為實(shí)施例1制得的陶瓷材料在980nm激光激發(fā)下的發(fā)光曲線圖。圖4為實(shí)施例1制得的陶瓷材料的折射率差-電場(chǎng)曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說(shuō)明。實(shí)施例1
a)按照MgNb2O6通式精確稱量化學(xué)計(jì)量比的Mg2CO3和Nb2O5，采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨6小時(shí)，在1150°C下煅燒，再次采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨4小時(shí)，制得MgNb2O6陶瓷粉體；b)按照(1-x) PVyLay (Mgv3Nb2Z3)O3-XPbTiiv4O3 通式，其中 χ = 0. 25,y = 0. 03，精確稱量化學(xué)計(jì)量比的此304、TiO2, La2O3加入步驟a)制得的MgNb2O6陶瓷粉體中，采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨6小時(shí)，在850°C下煅燒，再次采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨4小時(shí)，制得鑭摻雜的PMN-PT陶瓷粉體；c)按照(1-x)PVyLay(Mg^Nlv3)O3-XPbTiiv4OJz (aEr203+(l-a) Yb2O3)通式，其中 x = 0. 25、y = 0. 03, ζ = 0. 02,a = 1. 0，精確稱量化學(xué)計(jì)量比的Er2O3加入步驟b)制得的鑭摻雜的PMN-PT陶瓷粉體中，采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨4小時(shí)，干燥；d)加入粘結(jié)劑，造粒，在200MPa的壓力下干壓成直徑為20mm的圓片，排塑；e)進(jìn)行二步法燒結(jié)先在氧氣氣氛中于1200°C無(wú)壓燒結(jié)4小時(shí)，再在熱壓爐中于 80MPa壓力、1200°C下燒結(jié)10小時(shí)。將制得的陶瓷材料用D/max2550V衍射儀進(jìn)行其物相分析，得到的XRD譜圖見(jiàn)圖1 所示。由圖1可見(jiàn)陶瓷的主相為立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于稀土氧化物的摻雜，陶瓷中含有微量的第二相。圖2為本實(shí)施例制得的陶瓷材料的透過(guò)率曲線圖，由圖2可見(jiàn)所制備的陶瓷材料的光學(xué)透過(guò)率在不考慮表面反射損失情況下可達(dá)55%，具有較高的透過(guò)率。圖3為本實(shí)施例制得的陶瓷材料在980nm激光激發(fā)下的發(fā)光曲線圖，由圖3可見(jiàn) 所制備的陶瓷材料在980nm激光激發(fā)下，發(fā)出綠光和紅光，具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性。圖4為本實(shí)施例制得的陶瓷材料的折射率差-電場(chǎng)曲線圖，由圖4可見(jiàn)所制備的陶瓷材料具有很強(qiáng)的電光效應(yīng)，二次電光系數(shù)可達(dá)15X10_16m2/V2。實(shí)施例2a)按照MgNb2O6通式精確稱量化學(xué)計(jì)量比的Mg2CO3和Nb2O5，采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨6小時(shí)，在1150°C下煅燒，再次采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨4小時(shí)，制得MgNb2O6陶瓷粉體；b)按照(1-x) PVyLay (Mgv3Nlv3)O3-XPbTiiv4O3 通式，其中 χ = 0. 26,y = 0. 01，精確稱量化學(xué)計(jì)量比的此304、TiO2, La2O3加入步驟a)制得的MgNb2O6陶瓷粉體中，采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨6小時(shí)，在850°C下煅燒，再次采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨4小時(shí)，制得鑭摻雜的PMN-PT陶瓷粉體；c)按照(1-x)PVyLay(Mgv3Nb2Z3)O3-XPbTiiv4OJz (aEr203+(l_a) Yb2O3)通式，其中 χ =0. 26、y = 0. 01、z = 0. 01、a = 0. 7，精確稱量化學(xué)計(jì)量比的Er203、Yb2O3加入步驟b)制得的鑭摻雜的PMN-PT陶瓷粉體中，采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨4小時(shí)，干燥；d)加入粘結(jié)劑，造粒，在200MPa的壓力下干壓成直徑為20mm的圓片，排塑；e)進(jìn)行二步法燒結(jié)先在氧氣氣氛中于1200°C無(wú)壓燒結(jié)4小時(shí)，再在熱壓爐中于 80MPa壓力、1200°C下燒結(jié)10小時(shí)。經(jīng)檢測(cè)分析得知，本實(shí)施例制得的陶瓷材料的光學(xué)透過(guò)率在不考慮表面反射損失時(shí)可達(dá)57%，二次電光系數(shù)可達(dá)20X 10_16m2/V2，且在980nm激光激發(fā)下，發(fā)出綠光和紅光。綜上所述，本發(fā)明提供的陶瓷材料的光學(xué)透過(guò)率可達(dá)55%以上，二次電光系數(shù)可達(dá)(10 20) X10_16m2/V2，且在980nm激光的激發(fā)下具有良好的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能，為具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料。 有必要在此指出的是以上實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料，其特征在于，其組成通式為 (1-x)Pb1^yLay (Mgl73Nb273) 03-xPbTi1_y/403+z (aEr203+ (1-a) Yb2O3),其中x，y 為摩爾比， 且0. 05彡χ彡0. 55,0 ^ y ^ 0. 10 ;ζ為重量比，以PMN-PT陶瓷粉體總重量計(jì)，且滿足 0. 005 ^ ζ ^ 0. 10 ；a為摩爾比，且滿足0. 20彡a彡1. 0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料，其特征在于所述材料的組成通式中的0. 1彡X彡0. 5、0彡y彡0. 05,0. 01彡ζ彡0. 05,0. 50彡a彡1. 0。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料，其特征在于所述材料的組成通式中的 χ = 0. 25,y = 0. 03,ζ = 0. 02,a = 1. 0 ；或者，χ = 0. 26,y = 0. 01、 ζ = 0. 01、a = 0. 7。
4.一種權(quán)利要求1所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟a)按照MgNb2O6通式精確稱量化學(xué)計(jì)量比的Mg2CO3和Nb2O5，經(jīng)球磨、煅燒、再次球磨步驟，制得MgNb2O6陶瓷粉體；b)按照(I-X)PVyLEty(MAz3Ntv3)O3-XPbTiiv4O3通式精確稱量化學(xué)計(jì)量比的 Pb304、Ti& 或Pb304、TiO2, La2O3加入步驟a)制得的MgNb2O6陶瓷粉體中，經(jīng)球磨、煅燒、再次球磨步驟， 制得PMN-PT或鑭摻雜的PMN-PT陶瓷粉體；c)按照(1-x)PlvyLEiy (Μ&/3ΝΙν3)03-ΧΡ 3 ιν403+Ζ (EiEr2O3+(1-a) Yb2O3)通式精確稱量化學(xué)計(jì)量比的Er2O3或Er203、Yb2O3加入步驟b)制得的PMN-PT或鑭摻雜的PMN-PT陶瓷粉體中，球磨，干燥；d)加入粘結(jié)劑，造粒，壓制成型，排塑；e)進(jìn)行二步法燒結(jié)先在氧氣氣氛中無(wú)壓燒結(jié)，再在熱壓爐中加壓燒結(jié)，即得具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的球磨采用去離子水或酒精做介質(zhì)，行星球磨2 6小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟a)中的煅燒溫度為900 1200°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟b)中的煅燒溫度為800 1000°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的壓制成型是用200MPa的壓力干壓成直徑為20mm的圓片。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的無(wú)壓燒結(jié)是在1150 1250°C燒結(jié)1 6小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的加壓燒結(jié)是在1050 1300°C及40 IOOMPa下燒結(jié)6 15小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料及其制備方法。所述陶瓷材料的組成通式為(1-x)Pb1-yLay(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTi1-y/4O3+z(aEr2O3+(1-a)Yb2O3)，其中x，y為摩爾比，且0.05≤x≤0.55、0≤y≤0.10；z為重量比，以PMN-PT陶瓷粉體總重量計(jì)，且滿足0.005≤z≤0.10；a為摩爾比，且滿足0.20≤a≤1.0。該材料的制備是首先制得摻雜的PMN-PT基陶瓷粉體，再進(jìn)行二步法燒結(jié)。本發(fā)明提供的陶瓷材料為具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的透明電光陶瓷材料，可滿足其應(yīng)用在光通信、固體發(fā)光及其它新型光學(xué)器件中的性能要求。
文檔編號(hào)C04B35/472GK102351534SQ20111018474
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者丁愛(ài)麗, 曾華榮, 曾江濤, 李國(guó)榮, 鄭嘹贏, 阮偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所