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RE2Hf2O7/RE2Zr2O7系列化合物不仅具有高熔点、高密度、高有效原子序数,而且具有相稳定、抗腐蚀、高能射线吸收能力强等优良特性,是较为理想的稀土掺杂基体材料,在信息探测、激光介质、高温视窗等方面有潜在的应用前景。然而,由于铪酸盐/锆酸盐化合物的高熔点特性,致使其单晶制备困难。相对而言,采用陶瓷制备技术获得RE2Hf2O7/RE2Zr2O7透明材料是一条有效的途径。目前,关于制备RE2Hf2O7/RE2Zr2O7透明陶瓷的报道较少,主要是因为性能优良的原料粉体比较难以获得,而烧结温度又较高,制备工艺尚不完善。
本文以RE2Hf2O7/RE2Zr2O7透明陶瓷为研究对象,主要采用燃烧法和固相法制备原料粉体,利用真空烧结手段制备RE2Hf2O7/RE2Zr2O7透明陶瓷。首先,研究了燃烧法合成RE2Hf2O7/RE2Zr2O7粉体,对粉体的物相、形貌及比表面积等进行了表征,研究了煅烧温度、球磨工艺及真空烧结温度和时间等工艺参数对于粉体性能和陶瓷烧结过程的影响,摸索出了一条可行的燃烧法制备RE2Hf2O7/RE2Zr2O7粉体及其透明陶瓷的工艺路线,制备了直线透过率分别为50％和68%的RE2Hf2O7、Y2Zr2O7透明陶瓷。在Y2Zr2O7透明陶瓷的基础上,在Y的位置引入部分La,制备了透过率达到76.8%的LaYZr2O7透明陶瓷,样品透过率达到理论透过率的96.24%,样品密度为5.79g/cm3,折射率为2.07(633nm处)。
其次,采用固相反应烧结制备了LaxY2-xHf2O7(X=0～2)透明陶瓷,研究了不同La的含量对于陶瓷物相结构、显微结构和透过率等的影响规律。实验结果表明,随着La含量的增加,LaxY2-xHf2O7陶瓷样品的结构由缺陷态的萤石结构转变为烧绿石结构;样品的透过率则呈现先增加后降低的变化趋势;当x=0.8时,样品的透过率最大,为75.3%(633nm处),达到理论透过率的96.3%;随着x值增大,样品晶粒尺寸变小趋势十分明显。另外,利用相同的制备工艺,制备了LaGdHf2O7和LaLuHf2O7等透明陶瓷,其中制备的LaGdtHf2O7透明陶瓷透过率达74.1%(1100nm处),样品密度达8.37g/cm3。
最后,初步研究了稀土离子掺杂La0.8Y1.2Hf2O7透明陶瓷及其发光特性,利用固相反应烧结制备了分别掺杂Ce、Eu、Pr的La0.8Y1.2Hf2O7透明陶瓷,陶瓷的透过率都在73%以上,其中Eu和Pr掺杂的La0.8Y1.2Hf2O7透明陶瓷在紫外和X射线的激发下有明显的发光,是一种非常有应用前景的闪烁材料。另外,分别制备了Yb-Tm和Yb-Er共掺的La0.8Y1.2Hf2O7透明陶瓷,样品在980nm半导体激光激发下发射出强烈的上转换发光。