镥基化合物纳米粉体、透明陶瓷的制备及光学性能研究

论文摘要

闪烁陶瓷是一种广泛应用在医疗诊断用辐射探测器、工业无损探伤、核医学、高能物理等领域的新型功能陶瓷材料。作为闪烁材料,必须具备：高的有效原子序数、高的光输出、快的衰减速度和优异的透光性。而镥基化合物以其优异的闪烁性能得到广泛关注。目前运用固相反应法制备的Lu3Al5O12:Ce（LuAG:Ce）透明闪烁陶瓷已成功应用于医学PET、SPECT等,湿化学法制备的Lu2O3:Eu透明陶瓷也即将用于数字X射线成像系统。但由于Lu2O3材料昂贵的价格和复杂的制备工艺限制了氧化镥基化合物的广泛应用。为了降低生产成本,本文采用纳米技术制备Lu2O3, （Lu,Gd）2O3, LuAG纳米粉体及透明陶瓷并系统地研究了制备工艺参数和其光学性能。以Lu（NO3）3和碳酸氢铵为反应物,采用沉淀法制备Lu2O3纳米粉体,以烧结性能为考核目标,对沉淀反应工艺进行了优化。研究表明,采用碳酸氢铵沉淀法制备的先驱物为水合碳酸镥正盐及少量的碱式碳酸镥混合物,组成可能为Lu2.1（OH）0.1（CO3）3.1·6H2O。粉体颗粒呈近球形,颗粒尺寸～20nm。其先驱物在800℃煅烧4 h,平均颗粒尺寸为～35nm。在1700℃真空烧结5 h,获得了半透明的Lu2O3陶瓷。采用共沉淀法,以碳酸氢铵为沉淀剂研制不同组成Lu2O3-Gd2O3系列固溶体陶瓷。制备的Gd（1.9-x）LuxEu0.1O3先驱物物相随组成而变化,x=0时为水合碳酸盐,x=0.2、0.5、1.0、1.5、1.9时为碳酸盐和少量碱式碳酸盐的混合物,其化学式可能为Gd（1.9-x）LuxEu0.1（OH）0.1x（CO3）（3-0.05x）·6H2O。粉体形貌随Lu含量的增加由棒形变为球形,颗粒尺寸逐渐减小。Gd（1.9-x）LuxEu0.1O3的先驱物在800℃煅烧后可获得纯立方相的氧化钇和氧化钆的固溶体,而无其它过渡相。粉体的颗粒尺寸20nm～60nm。将800℃煅烧后的系列粉体压制成型,在1700℃真空烧结24h获得了透光性良好的Gd0.9Lu1.0Eu0.1O3和Lu1.9Eu0.1O3透明陶瓷,其最高直线透过率在可见光区分别为55.5%和64.3%。获得的Gd（1.9-x）LuxEu0.1O3透明陶瓷在波长254nm的紫外光激发下发射出较强的红光,发射主峰位于612.5nm,对应于掺杂Eu3+的5DO-7F2的跃迁。以市售纳米粉体为起始原料,采用固相反应法制备了LuAG透明陶瓷。固相反应获得的粉体粒度分布均一,具有良好的烧结性能。将煅烧后的粉体压制成型,坯体在1200℃预烧后于1700℃真空烧结5h获得了透光性良好的LuAG:Ce透明陶瓷,其最高直线透过率在可见光区为57%,在近红外区为63.2%；延长保温时间至24h获得了透光性更好的LuAG和LuAG:Ce透明陶瓷,其最高直线透过率分别为在可见光区为72%和63.1%,在近红外区为73.4%和65.4%。获得的LuAG透明陶瓷的发射光谱呈现Ce3+的特征双峰发射光谱（512nm和547nm）,双峰结构是由于Ce3+的4f基态受LuAG晶体场的影响,分裂为2F5/2和2F7/2两个能态所引起的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 稀土元素
• 1.1.1 稀土元素的电子层结构特点
• 1.1.2 镧系元素的价态
• 1.1.3 镧系元素的氧化物和氢氧化物
• 1.1.4 镧系元素的难溶盐
• 1.1.5 镧系元素的易溶盐
• 1.1.6 镧系元素的配合物
• 1.1.7 稀土元素的能级跃迁和光谱学性质
• 1.2 稀土发光材料
• 1.2.1 稀土发光材料的优点
• 1.2.2 稀土发光材料的合成方法
• 1.2.3 稀土激活材料的发光机理
• 1.3 陶瓷闪烁体
• 1.3.1 闪烁性能
• 1.3.2 陶瓷闪烁体的应用
• 1.3.3 镥基陶瓷闪烁体
• 1.4 闪烁材料研究重点与展望
• 1.5 光谱知识介绍
• 1.5.1 固体的发光
• 1.5.2 吸收光谱,发射光谱和激发光谱
• 1.6 本论文研究目的、意义及内容
• 2O₃纳米粉体合成及透明陶瓷的制备'>第2章 Lu₂O₃纳米粉体合成及透明陶瓷的制备
• 2.1 实验过程
• 2.1.1 制备工艺
• 2.1.2 性能测试
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 碳酸氢铵沉淀法工艺参数的确定
• 2O₃粉体合成及表征'>2.2.2 Lu₂O₃粉体合成及表征
• 2O₃粉体的预处理'>2.2.3 Lu₂O₃粉体的预处理
• 2O₃样品的烧结'>2.2.4 Lu₂O₃样品的烧结
• 2O₃纳米粉体的光学性能'>2.2.5 Lu₂O₃纳米粉体的光学性能
• 2.3 本章小结
• （1.9-x）Lu_xEu_0.1O₃透明陶瓷的制备及性能研究'>第3章 Gd_（1.9-x）Lu_xEu_0.1O₃透明陶瓷的制备及性能研究
• 3.1 实验过程
• 3.1.1 粉体合成及透明陶瓷制备工艺
• 3.1.2 性能测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 滴定终点pH值的确定
• （1.9-x）Lu_xEu_0.1O₃粉体合成及表征'>3.2.2 Gd_（1.9-x）Lu_xEu_0.1O₃粉体合成及表征
• （1.9-x）Lu_xEu_0.1O₃粉体的烧结'>3.2.3 Gd_（1.9-x）Lu_xEu_0.1O₃粉体的烧结
• （1.9-x）Lu_xEu_0.1O₃纳米粉体及透明陶瓷的光学性能'>3.2.4 Gd_（1.9-x）Lu_xEu_0.1O₃纳米粉体及透明陶瓷的光学性能
• 3.3 本章小结
• 第4章 固相反应法制备LuAG:Ce透明陶瓷及其性能研究
• 4.1 实验过程
• 4.1.1 粉体合成及透明陶瓷制备工艺
• 4.1.2 性能测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 原料粉体的形貌
• 4.2.2 粉体在低温煅烧过程中的变化
• 4.2.3 粉体在高温煅烧过程中的变化
• 4.2.4 LuAG透明陶瓷的烧结
• 4.2.5 LuAG纳米粉体及透明陶瓷的发光性能
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 附录
• 参考文献
• 致谢