专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
申请号 | CN202510294240.5 | 申请日 | 2025-03-13 |
公开(公告)号 | CN119797919A | 公开(公告)日 | 2025-04-11 |
申请人 | 吉林建筑大学; | 申请人类型 | 学校 |
发明人 | 李永涛; 王现阔; 吴楚涵; 黄德馨; 张学建; 刘卉昇; 孙欣然; 李娇; 齐海娜; 余鑫; | 第一发明人 | 李永涛 |
权利人 | 吉林建筑大学 | 权利人类型 | 学校 |
当前权利人 | 吉林建筑大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
省份 | 当前专利权人所在省份:吉林省 | 城市 | 当前专利权人所在城市:吉林省长春市 |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:吉林省长春市新城大街5088号吉林建筑大学 | 邮编 | 当前专利权人邮编:130018 |
主IPC国际分类 | C04B35/515 | 所有IPC国际分类 | C04B35/515 ; C04B35/622 ; C04B35/645 ; C04B35/626 ; C09K11/61 |
专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 3 | 专利文献类型 | A |
专利代理机构 | 专利代理人 | ||
摘要 | 一种稀土掺杂 碱 金属氯化物复合陶瓷及其冷 烧结 制备方法,属于无机非金属材料及发光陶瓷技术领域,通过对原料纯化、工艺优化,在变温变压条件下,采用冷烧结法制备不同稀土浓度掺杂碱金属卤化物复合陶瓷。所获得的陶瓷测试表明:随着Eu掺杂浓度的增加,发射 光谱 强度逐渐增大,当Eu浓度为0.008 mol%、烧结 温度 为125℃、压 力 为300 MPa时,陶瓷的发光性能最佳。本 发明 中的原料纯化和陶瓷制备工艺简单,不采用苛刻的制备条件,能够降低生产成本,在照明、激光和 生物 荧光 标记等领域具有广泛的应用前景。 | ||
权利要求 | 1.一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法技术领域[0001] 本发明属于无机非金属材料及发光陶瓷技术领域,具体涉及一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法。 背景技术[0002] 传统的陶瓷材料烧结制备工艺存在温度高、能效低、相分解和扩散等问题。现有烧结技术,如微波烧结、放电等离子烧结、快速烧结等,可以降低陶瓷材料的烧结温度。然而,这些工艺的烧结温度对于某些特殊的陶瓷材料来说仍然过高。因此,迫切需要一种低能耗、低成本的烧结工艺,同时保证陶瓷结构的密度和稳定性。传统陶瓷烧结需在高温(>1000 ℃)下进行,导致晶粒粗化、能耗高,且稀土掺杂分布不均。冷烧结法是一种在低温(<300 ℃)甚至室温下利用瞬态液相和单轴压力使各种无机材料,特别是高温下不稳定的陶瓷材料致密化的工艺,还可提高陶瓷材料的机械性能和耐用性。因此,冷烧结技术自诞生以来就备受关注。碱金属氯化物具有结构简单、成本低、带隙宽等优点,是一种制备陶瓷良好原料,容易实现离子掺杂,纯和离子掺杂的碱金属卤化物陶瓷在电学、光学、探测等领域具有广泛的应用前景,Lei Li等人采用冷烧结法制备了NaCl和LiF陶瓷,并研究了水含量对电学和力学性能的影响规律,Yongtao Li等人采用冷烧结制备了NaCl:Eu陶瓷,对其结构和性能进行了分析,但稀土掺杂碱金属复合卤化物陶瓷的制备工艺和性能研究还鲜见报道。 [0003] 碱金属氯化物复合陶瓷具有较大的晶格能,可以为Eu提供更多的配位空间,使Eu离子在复合陶瓷中更容易维持稳定的发光态,不容易发生自激发效应或者光损伤,尤其在低温烧结条件下,晶格结构得以更好地保持,相较于NaCl:Eu陶瓷的晶格更加稳定,不容易发生晶格畸变,且复合陶瓷的溶解度更高,因此在冷烧结过程中,Eu离子在晶格中的分布更加均匀,可以避免传统烧结过程中出现的掺杂不均匀或离子聚集现象。此外,碱金属卤化物复合陶瓷由于其较大的晶格常数和更低的热膨胀系数,这使得它在温度波动较大的环境中比传统陶瓷在高温变化或极端温度环境下更稳定,适用于高温工作环境下的光学元件或其他高温应用。然而,稀土掺杂的碱金属卤化物复合陶瓷的原料纯化、工艺优化和发光效率提升等方面还需要进一步研究。因此,本发明针对现有技术的不足,提供了一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法,通过原料纯化、工艺优化等,成功制备出了一种高性能的稀土掺杂碱金属卤化物复合陶瓷,有效解决了原料纯度低、发光效率低、制备工艺复杂等问题,助力陶瓷在电子学、照明、平板显示和激光等新一代信息技术领域的广泛应用。 发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法,其设备成本低,制备能耗低,制备过程简单,且制备的陶瓷材料具有高稳定性和高发光效率。 [0005] 为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案: [0006] 本发明提供了一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法,包括如下步骤: [0007] (1)原料纯化:将纯度为99.7 %的KOH、NaOH、NH4Cl加入HCl溶液中,混合溶液在60 ℃~100 ℃下浓缩蒸发,得到固体混合物,将固体混合物置于石英容器中在230 ℃~260 ℃条件下进行真空脱水,得到脱水产物,然后在惰性气氛中,420 ℃~480 ℃条件下对该产物进行煅烧,得到纯度为99.9%的KxNa1‑xCl(0.1≤x≤0.9)原料; [0008] (2)将纯度为99.9 %的KxNa1‑xCl和EuCl3按化学计量比进行称量,所述KxNa1‑xCl与EuCl3的物质的量之比为0.5:(0.002 ‑ 0.02),并加入占原料总质量0.1 ‑ 1 %的有机助熔剂; [0009] (3)将步骤(2)中称量好的原料加入去离子水(电阻率不低于18 MΩ·cm)搅拌并使其完全溶解,原料与去离子水的质量比为1:(3 ‑ 5),在60 ‑ 100 ℃下烘干15 ‑ 25 h,研磨10 ‑ 20 min,然后放入磨具中; [0010] (4)将步骤(3)磨具中的混合物进行单轴热压烧结,同时施加频率为20 ‑ 40 kHz、功率为100 ‑ 500 W的超声波辅助,单轴压力为50 ‑ 400 Mpa,加压和卸压速率为5 ‑ 10 Mpa/min,烧结温度为100 ‑ 225 ℃,烧结时间为20 ‑ 30 min,烧结升温和冷却速率为8 ‑ 15 ℃/min,烧结后断电,卸压,冷却,脱模干燥后得到陶瓷片。 [0011] 进一步的,步骤(2)中,所述有机助熔剂为聚乙二醇(PEG)。 [0012] 进一步的,步骤(4)中,所述超声波的施加时间为整个烧结过程的50 ‑ 80 %。 [0013] 本发明的有益效果如下: [0014] 本发明通过在变温变压条件下,采用冷烧结法合成了KxNa1‑xCl:Eu陶瓷。所获得的陶瓷测试表明,随着Eu浓度的增加,发射光谱强度增大,在掺杂浓度为0.008 mol%、烧结温度为125 ℃、压力为300 MPa时,发光性能最佳。此外,本发明中的原料制备过程简便,能够降低生产成本,适用于大规模工业生产,在照明、平板显示、激光和生物荧光标记等领域具有广泛的应用前景。附图说明 [0015] [0016] 图1是本发明KNaCl:Eu陶瓷在125℃下烧结的XRD。 [0017] 图2是本发明KNaCl:Eu陶瓷的XPS图谱,图中(a)为KNaCl:0.008Eu的XPS,(b)为K 2p3/2和K 2p1/2的XPS拟合峰,(c)为Cl 2p3/2的XPS拟合峰,(d)为Na 1s的XPS拟合峰,(e)为Eu 3d5/2和Eu 3d3/2的XPS拟合峰。 [0018] 图3是本发明KNaCl:Eu陶瓷的断口SEM图像,图中(a)‑(c)为KNaCl:0.008Eu陶瓷样品的SEM图像和断层扫描,(d)为KNaCl:0.008Eu在225 ℃烧结温度下的SEM图像,(e)为50 MPa单轴压力下的KNaCl:0.008Eu陶瓷SEM图像,(f)为100 MPa单轴压力下的KNaCl:0.008Eu陶瓷SEM图像, (g)为200MPa单轴压力下的KNaCl:0.008Eu陶瓷SEM图像, (h)为300MPa单轴压力下的KNaCl:0.008Eu陶瓷SEM图像。 [0019] 图4是本发明KNaCl:Eu陶瓷的荧光图谱,图(a)为613 nm处KNaCl: Eu的激发光谱,图(b)为391 nm处KNaCl: Eu的发射谱图,(c)为不同烧结温度下KNaCl: 0.008Eu发射光谱。 [0020] 图5是本发明KNaCl:Eu陶瓷的TG曲线。 [0021] 图6 (a)为KNaCl:0.008Eu陶瓷片,图6 (b)为在紫外光激发下KNaCl:0.008Eu陶瓷片。 具体实施方式[0022] [0023] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明: [0024] 实施例1:一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法,具体包括以下步骤: [0025] (1)将纯度为99.7 %的KOH、NaOH、NH4Cl加入HCl溶液中,在80 ℃浓缩蒸发,得到固体混合物,将固体混合物置于石英容器中在250 ℃条件下进行真空脱水2 h,然后在惰性气氛中,450 ℃条件下对该产物进行煅烧,得到纯度为99.9%的K0.5Na0.5Cl原料; [0026] (2)将纯度为99.9 %的K0.5Na0.5Cl和EuCl3按1:(0.002‑0.02)化学计量比进行称量,并加入占原料总质量0.4 %的聚乙二醇(PEG); [0027] (3)将步骤(2)称量好的原料加入去离子水搅拌并使其完全溶解,在80 ℃下进行24 h的烘干处理,将烘干后的混合物研磨20 min,然后放入磨具中; [0028] (4)将步骤(3)磨具中的混合物使用压片机压制成片并进行单轴热压烧结,同时施加频率为30 kHz、功率为300 W的超声波辅助; [0029] (5)步骤(4)的单轴压力为300 MPa,温度由外部加热线圈和温度控制器控制,烧结温度为125 ℃,烧结30 min,烧结升温和冷却速率为10 ℃/min; [0030] (6)烧结后断电,卸压,冷却,脱模干燥后得到陶瓷片,样品的荧光强度随着掺杂浓度的增加而增加,在掺杂浓度为0.008 mol%时发光强度最佳。 [0031] 实施例2:一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法,具体包括以下步骤: [0032] (1)将纯度为99.7 %的KOH、NaOH、NH4Cl加入HCl溶液中,在80 ℃浓缩蒸发,得到固体混合物,将固体混合物置于石英容器中在250 ℃条件下进行真空脱水2 h,然后在惰性气氛中,450 ℃条件下对该产物进行煅烧,得到纯度为99.9%的K0.5Na0.5Cl原料; [0033] (2)将纯度为99.9 %的K0.5Na0.5Cl和EuCl3按1:0.008化学计量比进行称量,并加入占原料总质量0.4 %的聚乙二醇(PEG); [0034] (3)将步骤(2)称量好的原料加入去离子水搅拌并使其完全溶解,在80 ℃下进行24 h的烘干处理,将烘干后的混合物研磨20 min,然后放入磨具中; [0035] (4)将步骤(3)磨具中的混合物使用压片机压制成片并进行单轴热压烧结,同时施加频率为30 kHz、功率为300 W的超声波辅助; [0036] (5)步骤(4)中单轴压力为300 MPa,温度由外部加热线圈和温度控制器控制,分别由室温加热至100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃、200 ℃、225 ℃,烧结时间为30 min,烧结升温和冷却速率为10 ℃/min; [0037] (6)烧结后断电,卸压,冷却,脱模干燥后得到陶瓷片,样品的荧光强度随着烧结温度的增加而增加,在125 ℃时发光强度最佳。 [0038] 实施例3:一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法,具体包括以下步骤: [0039] (1)将纯度为99.7 %的KOH、NaOH、NH4Cl加入HCl溶液中,在80 ℃浓缩蒸发,得到固体混合物,将固体混合物置于石英容器中在250 ℃条件下进行真空脱水2 h,然后在惰性气氛中,450 ℃条件下对该产物进行煅烧,得到纯度为99.9%的K0.5Na0.5Cl原料; [0040] (2)将纯度为99.9 %的K0.5Na0.5Cl和EuCl3按1:0.008化学计量比进行称量,并加入占原料总质量0.4 %的聚乙二醇(PEG); [0041] (3)将步骤(2)称量好的原料加入去离子水搅拌并使其完全溶解,在80 ℃下进行24 h的烘干处理,将烘干后的混合物研磨20 min,然后放入磨具中; [0042] (4)将步骤(3)磨具中的混合物使用压片机压制成片并进行单轴热压烧结,同时施加频率为30 kHz、功率为300 W的超声波辅助; [0043] (5)步骤(4)中的不同单轴压力分别为50 MPa、100 MPa、200 MPa、300 MPa和400 MPa,温度由外部加热线圈和温度控制器控制125 ℃,烧结时间为30 min; [0044] (6)烧结后断电,卸压,冷却,脱模干燥后得到陶瓷片,样品在单轴压力为300 MPa时发光强度最佳。 [0045] 实施例4:一种稀土掺杂碱金属氯化物复合陶瓷及其冷烧结制备方法,具体包括以下步骤: [0046] (1)将纯度为99.7 %的KOH、NaOH、NH4Cl加入HCl溶液中,在80 ℃浓缩蒸发,得到固体混合物,将固体混合物置于石英容器中在250 ℃条件下进行真空脱水2 h,然后在惰性气氛中,450 ℃条件下对该产物进行煅烧,得到纯度为99.9%的K0.5Na0.5Cl原料; [0047] (2)将纯度为99.9 %的K0.5Na0.5Cl和EuCl3按1:0.008化学计量比进行称量,并加入占原料总质量0.4 %的聚乙二醇(PEG); [0048] (3)将步骤(2)称量好的原料加入去离子水搅拌并使其完全溶解,在80 ℃下进行24 h的烘干处理,将烘干后的混合物研磨20 min,然后放入磨具中; [0049] (4)将步骤(3)磨具中的混合物使用压片机压制成片并进行单轴热压烧结,同时施加频率为40 kHz、功率为400 W的超声波辅助; [0050] (5)步骤(4)中的单轴压力分别为300 MPa,温度由外部加热线圈和温度控制器控制125 ℃,烧结时间为30 min; [0051] (6)烧结后断电,卸压,冷却,脱模干燥后得到陶瓷片。 [0052] 上述实施例为本发明优选的实施方式,不能以此限定本发明的保护范围。在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员对本发明作出的任何等同变化或等效的变动,均应属于本发明的保护范围。 |