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闪烁透明陶瓷一种重要的新型材料

2018-11-30 21:15:08

闪烁透明陶瓷——一种重要的新型材料

透明陶瓷是近几十年发展十分迅猛的新型材料。透明陶瓷可分为透明结构陶瓷和透明功能陶瓷两大类。透明结构陶瓷主要用于高压钠光灯管、高温透视窗罩、透明装甲等方面。透明功能陶瓷主要用于激光、显示技术、医学等方面。闪烁透明陶瓷是其中一种应用前景广泛的新材料。

所谓闪烁透明陶瓷是一种吸收高能光子后发出紫外光或可见光的光功能陶瓷材料,被广泛应用于高能物理(如精密电磁量能器)、核医学(如X-CT机)、工业应用(CT探伤)、空间物理、地质勘探等领域。用透明陶瓷做闪烁材料具有热力学性能优良,可实现发光离子多种类及高浓度掺杂等优势,而且容易实现大尺寸,大批量生产,成本低,具有巨大的应用潜力。

近年来,随着新型数字医疗影像技术,如X射线计算机断层扫描影像术(X-CT),正电子发射计算机断层扫描术(PLT),心血管造影术(DSA)等的出现和发展,对应用于这些技术中的闪烁材料的性能提出了越来越高的要求。出于对于人体安全的考虑,必须尽可能降低辐射强度和检测时间,以减少人体对各种射线的吸收,这就要求闪烁材料具备透明性好、密度高、衰减时间短(小于0.1ms),余辉短等性能以及良好的物理化学稳定性。透明陶瓷制备技术的进步使研制这类闪烁体成为可能。由于闪烁陶瓷在粉体制备过程中可以较容易地实现掺杂元素的分子级均匀掺杂,制备工艺简单、成本低廉,以及闪烁陶瓷本身具有良好的机械加工性能等,已成为X-CT用闪烁探测材料的对象,目前正在成为新型闪烁材料的研究热点和前沿。

透明陶瓷的成型主要是通过烧结工艺。烧结是使陶瓷坯体在一定的高温下(或同时在压力场或其它外场下),发生体积收缩,实现致密化并获得一定的组织结构和强度的一个热力学与动力学过程。要想获得高透明的陶瓷材料,关键是使材料本身致密、气孔率低、晶粒大小适宜而均匀、晶界薄而干净。烧结方法有:(1)真空与气氛烧结。目前大部分具有适合熔点的氧化物透明陶瓷均采用真空和氢气烧结。(2)热压烧结。指在烧成过程中施加一定的压力(10~40Mpa),促使材料流动、重排与致密化。由于烧结温度可以比常压烧结低得多,所以晶粒长大较少,可得到气孔率很低、同时晶粒比较细小的陶瓷材料。(3)微波烧结。这是使材料在微波电磁场中加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结技术。微波烧结的速度快、时间短,从而避免了烧结过程中陶瓷晶粒的异常长大,终可获得高强度和高致密度的透明陶瓷。(4)等离子烧结。这是通过瞬时产生的放电等离子使烧结体内部的颗粒均匀地自发放热,同时使颗粒表面活化,在短时间内使烧结体达到致密的一种快速烧结方法。

近十几年来,国外相继开发出氧化钇釓,硫氧化釓,釓稼石榴石等陶瓷闪烁体,并成功应用于医学X-CT上。国内,上海硅酸盐研究所等单位在透明闪烁陶瓷研究和应用方面也获得一些进展,他们采用Al2O3,Lu2O3,Y2O3,CeO2等原料,经高能球磨处理粉体,将陶瓷素坯在1700℃~1750℃下真空烧结10小时以上,得到厚度1.5mm的透明陶瓷试样,在500nm~900nm可见光区的直线透过率可达80%,光学均匀性良好,X射线发射峰位于550nm左右,可作为应用于射线探测的闪烁材料。

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