基于坯体的单分散球形颗粒密堆结构低温无压烧结制备(Y,Gd)2O3:Eu透明闪烁陶瓷及其性能研究

以单分散球形颗粒为原料，采用先进的胶态分散、胶态成型技术获得具有"球形颗粒密堆结构"的生坯，然后经低温真空烧结制取透光率与单晶相媲美、闪烁性能优异的(Y,Gd)2O3:Eu透明陶瓷。彻底消除透明陶瓷易存在宏观缺陷（局域不透明）和微观缺陷（残留气孔）的普遍问题。以多晶透明陶瓷取代难以制备的单晶，为(Y,Gd)2O3:Eu闪烁陶瓷在现代医疗成像等闪烁探测技术中的应用奠定基础。研究Y/Gd/Eu三元系单分散球形颗粒的合成及粒径控制技术；采用自由沉降、压滤成型及离心浇注等手段获得具有"球形颗粒密堆结构"的生坯，研究工艺条件（分散剂种类、固相含量、分散介质、zeta 电位等）对坯体显微组织（气孔分布）的影响极其作用机理；研究具有密堆结构的坯体的烧结行为、烧结动力学及烧结机理；研究(Y,Gd)2O3:Eu透明闪烁陶瓷的光学性能（荧光、透光率、闪烁特性）及力学性能（强度、硬度、断裂韧性）。

项目已按原计划顺利完成。研究内容主要包括单分散球形颗粒的可控合成、胶态分散/胶态成型及透明陶瓷制备三个部分。所取得的主要成果简述如下：（1）采用均匀沉淀法合成出了Y/Gd/Eu系碱式碳酸盐单分散球形颗粒，明确了母盐浓度、尿素浓度及尿素/阳离子摩尔比的影响，界定了单分散球形颗粒的生成范围。采用水/醇混合溶剂调制产物在反应介质中的溶度积，实现了粒径在50-300nm范围内的有效控制。有机溶剂同时显著促进了Y/Gd/Eu各组分的共沉淀，使氧化物均匀固溶体的形成温度由1000降至800度、并以此显著减轻了煅烧过程中颗粒间的烧结和硬团聚。系统分析了氧化物单分散球的荧光性能及化学组成和粒径的影响。明确了Gd3+对Eu3+发光的敏化作用，确定了Eu3+的最佳含量为5-7at%；（2）以去离子水为分散介质、聚丙烯酸铵（PAA-NH4）为分散剂，采用超声分散制备出了高度稳定的浆料。系统考察了分散剂的颗粒表面吸附行为及固相含量、浆料pH值、Zeta电位对浆料稳定性的影响。确定了PAA-NH4的最佳含量约为0.5mg/m2、浆料的最佳pH值为10-11、最佳固相含量为20-30vol%。以此，采用超声震荡实现了单分散球形颗粒在浆料中的完全分散。浆料经5000rpm离心沉降1小时获得的湿态坯体经适当干燥制备出了透明陶瓷烧结用坯体。发现胶态成型坯体的相对密度可达62%，且显微结构比冷等静压成型坯体更为均匀。发现胶态成型坯体具有单分散球形颗粒随机密堆结构而干压坯体为显著的“多晶结构”，即单分散颗粒局域密堆成数微米尺寸的“单晶畴”、单晶畴再按不同取向组配成坯体；（3）采用膨胀仪研究了胶态成型和冷等静压成型坯体的烧结动力学，并从坯体显微结构的角度分析了存在的显著差异。烧结过程研究表明胶态成型坯体均匀致密化，而干压成型坯体中“单晶畴”优先烧结，造成畴与畴之间劈裂、并最终影响透明陶瓷制备。胶态成型坯体经1500度真空烧结即呈现良好的透光性，并经1700度真空烧结5小时获得了晶粒较微细、最高透光率达80%、光学性能与单晶相近的多晶透明陶瓷。分析了材料的强度、断裂韧性和硬度等力学性能。所得透明陶瓷在254-260纳米紫外线激发下于约612纳米呈现优异的红色荧光发射，确定了荧光寿命约为1.5毫秒。明确了Gd含量对烧结致密化过程、材料显微结构及光学和力学性能的影响。