本發明涉及一種氧化釔基透明陶瓷及其制備方法，尤其是具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷及其制備方法，屬于材料科學技術領域。
背景技術：
氧化釔是立方晶系晶體，具有光學各向同性的性質，所以其具有優良的透光性能，并且具有熔點高、化學和光化學穩定性好、光學透明性范圍較寬(0.23～8.0 μm)等優點；其聲子能量低，一定程度上可以抑制無輻射躍遷，提高輻射躍遷的幾率，從而提高發光量子效率；易實現稀土離子的摻雜進行改性；熱導率高，是作為固體激光介質材料的重要基質材料。氧化釔透明陶瓷在寬廣的頻率范圍內，特別是在紅外區域，具有80%以上的理論透過率，因此這種材料常被用作各種檢測設備和能源窗口。由于其耐火度高，還可作高溫爐的觀察窗以及透鏡。此外，氧化釔透明陶瓷可用于微波基片、耐磨表面材料、紅外發生器管、天線罩等，在半導體行業具有潛在應用價值，有些已獲得實際應用。
但是，Y2O3的熔融溫度高達2430℃，在2280℃時還會發生立方相向六方相的多晶相變，因此采用傳統提拉法很難生長Y2O3單晶。采用傳統陶瓷工藝，可以在遠低于Y2O3熔點的溫度制備透明陶瓷，節省了生產成本，提高了生產效率，更重要的是陶瓷制備工藝容易實現激活離子的高摻雜，可以極大的提高激光輸出功率，從而使高熔點氧化物用作光學介質和激光介質成為可能。氧化釔透明陶瓷的燒結溫度一般在2000℃以上，采用真空燒結和納米粉體制備技術后，燒結溫度降到1700℃，比它的熔融溫度低700℃。對于Y2O3基透明陶瓷的研究中發現，La3+和Zr4+的摻雜能有效改善Y2O3基透明陶瓷的燒結性能，并且也具有良好的激光光譜性能。但是陶瓷是多晶的，其晶界、氣孔和晶格的不完整性等都會增加光的散射損失及材料的不透明性。所以燒結助劑的摻雜濃度增高會造成透明性的降低，特別是不同價態離子的摻雜會造成非常大的晶格畸變，都對其透明性提出了非常高的挑戰。因此，在保持Y2O3基透明陶瓷良好的化學和光化學性能的前提下，降低燒結助劑的摻雜濃度，同時保持良好的燒結性能，并提高氧化釔基透明陶瓷的直線透過率，是氧化釔透明陶瓷更為廣泛應用的關鍵。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷及其制備方法，通過核殼結構的實現使氧化釔基陶瓷具有較低的燒結溫度、較高的致密度，以及較小的晶格畸變，從而獲得優良的透光性能。
本發明的具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷，其特征在于陶瓷晶粒的核層為Y2O3相、殼層為(Y1-x-yLaxMy)2O3相，其中0.01 ≤ x ≤ 0.1，0 ≤ y ≤ 0.1，M為Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg中的一種或幾種，殼層物質與核層物質的摩爾比為0.01～0.2:1。
本發明的具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
(1)按殼層組成物中各元素的比例，將釔的化合物、鑭的化合物以及M元素的化合物同時溶解在去離子水中，使混合物在去離子水中的濃度為0.01～1 mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液；
(2)按核層物質的量稱取Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述步驟(1)制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合4～24小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水；
(3)將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在10～40 MPa的壓力下成型，然后升溫到900～1300 ℃保溫4～8小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在150～300 MPa下進行等靜壓；
(4)將等靜壓后的產物放在真空爐中，在1550～1750 ℃保溫4～24小時，得到具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷。
本發明中，所述的釔的化合物為硝酸釔、氯化釔和醋酸釔中的一種或幾種；所述的鑭的化合物為硝酸鑭、氯化鑭和醋酸鑭中的一種或幾種；所述的M元素的化合物為硝酸鋯、醋酸鋯、鈦酸四丁酯、硝酸鈦、硝酸錳、醋酸錳、硝酸鋁、醋酸鋁、硝酸鈣、醋酸鈣、硝酸鋅、醋酸鋅、硝酸鎂和醋酸鎂中的一種或幾種；
本發明中，所述的Y2O3粉體的粒徑在0.05～5 μm之間。
本發明具有以下有益效果：通過將釔、鑭以及M元素的化合物溶解在去離子水中，然后和Y2O3粉體進行球磨混合，可以獲得釔鑭M等元素以原子級水平均勻包覆在Y2O3粉體表面的核殼結構；隨后進行噴霧干燥，除掉去離子水，從而使得這種核殼結構從溶液狀態轉變成固態；將上述粉體放入模具中并在10～40 MPa的壓力下成型，可以獲得陶瓷素坯，但因成型壓力較低，素坯結構比較疏松，隨后在900～1300 ℃的保溫，可以將釔鑭M等元素的化合物進行分解揮發，只留下氧化物并生成了陶瓷的主晶相；接下來的150～300 MPa的等靜壓可以讓陶瓷素坯充分致密，隨后在1550～1750 ℃的真空爐中燒結，即可獲得本發明的透明陶瓷。本發明以粒徑0.05～5 μm的Y2O3粉體為核心、通過將La、Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg元素（M表示）固溶入氧化釔晶體結構中形成殼層，從而獲得以Y2O3為核、(Y,La,M)2O3為殼的核殼結構；由于殼層的(Y,La,M)2O3具有較低的燒結溫度和較高的燒結活性，所以本發明的氧化釔基陶瓷可以在較低溫度燒結下獲得較高的致密度；同時，由于殼層物質與核層物質的摩爾比為0.01～0.2:1，核層的Y2O3相所占比例大，而引起晶格畸變的(Y,La,M)2O3相的比例比較少，因而在燒結后可以獲得優良的光學性能。本發明所采用的原材料來源廣泛易得、制備工藝簡單可控。
具體實施方式
下面結合實例對本發明作進一步描述。
實施例1：Y2O3-0.01(Y0.87La0.1Zr0.03)2O3（x=0.1，y=0.03，M=Zr）
稱取0.0087 mol的硝酸釔、0.001 mol的硝酸鑭以及0.0003 mol的硝酸鋯同時溶解在去離子水中，使混合溶液在去離子水中的濃度為1 mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液。稱取0.5 mol的粒徑為5 μm的Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合24小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水。將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在10 MPa的壓力下成型，然后升溫到900 ℃保溫8小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在300 MPa下進行等靜壓；將等靜壓后的產物放在真空爐中，在1750 ℃保溫4小時，得到具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷。
實施例2：Y2O3-0.2(Y0.9La0.05Zr0.02Ti0.01Al0.01Zn0.01)2O3（x=0.05，y=0.05，M=Zr,Ti,Al,Zn）
稱取0.18 mol的硝酸釔、0.01 mol的硝酸鑭、0.004 mol的硝酸鋯、0.002 mol的硝酸鈦、0.002 mol的硝酸鋁以及0.002 mol的硝酸鋅同時溶解在去離子水中，使混合溶液在去離子水中的濃度為0.01 mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液。稱取0.5 mol的粒徑為0.05 μm的Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合4小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水。將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在40 MPa的壓力下成型，然后升溫到1300 ℃保溫4小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在150 MPa下進行等靜壓；將等靜壓后的產物放在真空爐中，在1550 ℃保溫24小時，得到具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷。
實施例3：Y2O3-0.1(Y0.9La0.1)2O3（x=0.1，y=0）
稱取0.03 mol的硝酸釔、0.03 mol的氯化釔、0.03 mol的醋酸釔、0.003 mol的氯化鑭、0.003 mol的醋酸鑭以及0.004 mol的硝酸鑭同時溶解在去離子水中，使混合溶液在去離子水中的濃度為0.5 mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液。稱取0.5 mol的粒徑為0.5 μm的Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合12小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水。將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在30 MPa的壓力下成型，然后升溫到1200 ℃保溫6小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在200 MPa下進行等靜壓；將等靜壓后的產物放在真空爐中，在1750 ℃保溫12小時，得到具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷。
實施例4：Y2O3-0.1(Y0.89La0.01Mn0.03Ca 0.04Mg0.03)2O3（x=0.01，y=0.1，M= Mn, Ca, Mg）
稱取0.08 mol的硝酸釔、0.009 mol的醋酸釔、0.001 mol的硝酸鑭、0.003 mol的硝酸錳、0.004 mol的醋酸鈣以及0.003 mol的硝酸鎂同時溶解在去離子水中，使混合溶液在去離子水中的濃度為0.8 mol/l，攪拌混合均勻得到混合溶液。稱取0.5 mol的粒徑為0.1 μm的Y2O3粉體，放入球磨罐中，同時將上述制得的混合溶液也放入球磨罐中，然后以氧化鋯球為磨介，球磨混合8小時，隨后將混合物進行噴霧干燥，除掉去離子水。將噴霧干燥后獲得的粉體放入模具中，在15 MPa的壓力下成型，然后升溫到1000 ℃保溫7小時，冷卻后再放入等靜壓機中，在250 MPa下進行等靜壓；將等靜壓后的產物放在真空爐中，在1650 ℃保溫8小時，得到具有核殼結構的氧化釔基透明陶瓷。