钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法技术

钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，属于光电子材料技术领域，本发明专利技术之钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷属于立方晶系，陶瓷基质为钆镓石榴石，以钬、铥离子为激活离子，该陶瓷分子式为Tm，Ho：Gd3Ga5O12。本发明专利技术之钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法主要包括三个步骤：制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体、坯体成型以及陶瓷制备三个步骤，具体采用两种湿化学法分别为溶胶凝胶法和液相共沉淀法，合成高纯、单分散、均匀掺杂、高烧结活性纳米粉体。通过设计与模拟，调控钬Ho、铥Tm与钆Gd三种稀土离子的构效关系，实现组分控制。通过选择氩气气氛，抑制镓的价态变化及组分偏析。

Preparation of Holmium and Thulium Doped Gadolinium Garnet Laser Transparent Ceramics

The preparation method of holmium-thulium double-doped gadolinium-gallium garnet laser transparent ceramics belongs to the field of optoelectronic materials technology. The holmium-thulium double-doped gadolinium-gallium garnet laser transparent ceramics of the invention belong to cubic crystal system, and the ceramic matrix is gadolinium-gallium garnet, with holmium and thulium ions as activating ions. The molecular formula of the ceramics is Tm, Ho: Gd3Ga5O12. The preparation method of the holmium thulium double doped gadolinium gallium garnet laser transparent ceramics includes three steps: preparation of Tm, Ho:Gd3Ga5O12 laser ceramic precursor nano powder, green body molding and ceramic preparation three steps, and two wet chemical methods are respectively sol-gel method and liquid phase coprecipitation method, and synthesize high-purity, monodisperse, uniformly doped and high sintering active nano powders. Through design and simulation, the structure-activity relationship of Ho, Th Tm and Gd rare earth ions was regulated to achieve component control. By choosing argon atmosphere, the valence change and component segregation of gallium are suppressed.

【技术实现步骤摘要】
钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法
本专利技术涉及钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，掺钬铥钆镓石榴石透明陶瓷是激光陶瓷，简式为Tm，Ho：Gd3Ga5O12，属于光电子材料

技术介绍
目前，晶体和玻璃仍是固体激光器工作物质的主体，但激光陶瓷正以其优异的性能异军突起，在不同的领域发挥着举足轻重的作用。透明陶瓷具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度等特性，又具有玻璃的光学性能。透明陶瓷制备工艺简单，成本较低，可以在大大低于材料熔点的温度下，完成高致密度光学材料的制备，工艺所需时间远低于提拉晶体所需时间，易于实现批量化低成本生产。特别是能够根据器件应用要求较方便地实现高浓度离子的均匀掺杂，避免由于晶体生长工艺限制所造成的掺杂浓度低、分布不均匀的状况。在一定情况下，透明陶瓷的性能已经达到或超过单晶材料，有望在一些特定场合逐步替代单晶学材料。掺钬铥钆镓石榴石透明陶瓷材料中Tm3+作敏化离子，通过Ho3+和Tm3+离子间能量转移，可实现2μm激光输出，既降低了激光振荡阈值，又提高了输出效率，具有人眼安全、大气传输特性好等优点，是一种光学性质优良的新型激光陶瓷材料。因此，对陶瓷的制备工艺提出了更高的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，生长的陶瓷制备相对容易，成本低廉，加工性能较好，各向同性，相均匀性宽、掺杂浓度高、分布均匀、没有应力和杂质引起的核心、光学均匀性好等优点，是一种极具发展前途的激光陶瓷材料，能够满足全固态新型激光器对工作物质的要求。钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体：采用溶胶凝胶法或液相共沉淀法制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体；2)坯体成型：将步骤1)得到的Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体与聚乙烯醇及丙三醇混合，混合后造粒，完成造粒后置于模具中，在压力5GPa、温度600℃条件下压坯，保压时间5min～10min，得到Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷坯体；3)陶瓷制备：将步骤2)得到的Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷坯体在氩气气氛下进行烧结，得到钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷。其中，步骤1)中所述Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体的粒径范围为70nm～100nm。进一步，步骤1)中所述溶胶凝胶法制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体的具体过程如下：①将Tm2O3粉末、Ho2O3粉末、Gd2O3粉末和Ga2O3粉末，按照Tm、Ho、Gd、Ga摩尔比为x：y：(3-x-y)：5称量药品并将其分别溶于浓度为5mol/L的稀硝酸，得到四种溶液，并将所述四种溶液在烧杯中混合，得到Tm，Ho，Gd、Ga离子硝酸盐溶液，其中0<x≤3,0<y≤1；②向Tm，Ho，Gd、Ga离子硝酸盐溶液中加入柠檬酸,柠檬酸的摩尔数与Tm，Ho，Gd、Ga四种金属离子的总摩尔数比为1.5:1，利用氨水调节pH值至2.0～2.5，得到混合溶液；③将步骤②得到的混合溶液放在磁力加热搅拌器上，在60℃条件下加热搅拌6h,得到溶胶，再将溶胶在80℃下继续搅拌3h，得到透明凝胶；再在干燥箱里加热至180℃，保温3h,使凝胶生长为多孔性棕色蓬松物；④将多孔性棕色蓬松物研磨后在马弗炉中置于1100℃下煅烧3h，得到Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体。进一步，步骤1)中所述液相共沉淀法制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体的过程如下：①称量药品将Tm2O3粉末、Ho2O3粉末、Gd2O3粉末和Ga2O3粉末，按Tm、Ho、Gd、Ga摩尔比为x：y：(3-x-y)：5称量药品，其中0<x≤3,0<y≤1；②配置与滴定反应溶液将称量好的Tm2O3粉末、Ho2O3粉末、Gd2O3粉末和Ga2O3粉末分别溶于浓度为5mol/L硝酸中，恒温于60℃磁力搅拌器加热搅拌溶解至无色透明，得到四种溶液，并将所述四种溶液在烧杯中混合，得到Tm，Ho，Gd、Ga离子硝酸盐溶液，加入硝酸盐质量0.1倍的聚乙二醇，待溶液至无色透明；室温下，将NH4HCO3溶液作为沉淀剂滴加到无色透明溶液中，NH4HCO3的摩尔数与Tm，Ho，Gd、Ga四种金属离子的总摩尔数比为1.5:1，然后进行反向滴定，滴定速度为2mL/min，伴随滴定不断地搅拌，调节pH值至7.0，90℃水浴加热24h，室温下静止6h，待其完全沉淀后，将其熟化；③抽滤、洗涤、干燥和煅烧抽滤完全熟化的沉淀，然后水洗3次，醇洗2次，除去水分，在烘箱中120℃温度下干燥、研磨后装入坩埚，于1000℃下马弗炉煅烧3h，得到Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体。其中，步骤3)中烧结过程如下：在氩气气氛下，采用高温真空烧结炉在压力200GPa，温度1800℃下烧结，得到钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷。根据所述的钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法制得的钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷，属于立方晶系，陶瓷基质为钆镓石榴石，以钬Ho、铥Tm离子为激活离子，该陶瓷分子式为Tm，Ho：Gd3Ga5O12。所述的钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，其中，所加入的钬Ho、铥Tm掺杂浓度按原子数百分含量at.％计：Tm3+为0.5％～3％，Ho3+为0.5％～1％。通过上述设计方案，本专利技术可以带来如下有益效果：本专利技术提出的钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，在钆镓石榴石(GGG)体系的晶格中，通过Tm,Ho双掺和性能调控，采用富镓组分及氩气气氛烧结工艺，有效解决高温烧结所引起的组分偏析问题。通过烧结动力学过程的研究，揭示了成型方法、烧结温度、升温速度和保温时间对烧结体致密化过程及显微结构与光学性能的影响规律。通过分析气孔、晶粒尺寸、掺杂浓度及分布、表面能等因素对界面结构与扩散的影响，建立了激光陶瓷材料单晶化物理模型，制备了2μm激光输出的透明陶瓷介质。本专利技术以钆镓石榴石为基质的钬铥双掺激光透明陶瓷，作为一种新型的激光陶瓷，目前在我国还没有大规模的研究，在基质Gd3Ga5O12陶瓷的一些优良性质基础上，Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷作为一种新型激光陶瓷有着更大的应用潜力和一些特殊性质，因此研究Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷具有着重大的意义。附图说明图1是本专利技术实施例一中Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体合成工艺流程图；图2是本专利技术实施例二中Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体合成工艺流程图；图3是本专利技术实施例中钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷的成型与烧结流程图。具体实施方式为了避免混淆本专利技术的实质，公知的方法和过程并没有详细的叙述。本专利技术提出的钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法包括制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体、坯体成型和陶瓷制备：1)制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体：采用溶胶凝胶法或液相共沉淀法制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体；并采用电动压力机制得块状生长料；2)坯体成型：将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体：采用溶胶凝胶法或液相共沉淀法制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体；2)坯体成型：将步骤1)得到的Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体与聚乙烯醇及丙三醇混合，混合后造粒，完成造粒后置于模具中，在压力5GPa、温度600℃条件下压坯，保压时间5min～10min，得到Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷坯体；3)陶瓷制备：将步骤2)得到的Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷坯体在氩气气氛下进行烧结，得到钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷。

【技术特征摘要】
1.钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体：采用溶胶凝胶法或液相共沉淀法制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体；2)坯体成型：将步骤1)得到的Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体与聚乙烯醇及丙三醇混合，混合后造粒，完成造粒后置于模具中，在压力5GPa、温度600℃条件下压坯，保压时间5min～10min，得到Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷坯体；3)陶瓷制备：将步骤2)得到的Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷坯体在氩气气氛下进行烧结，得到钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷。2.根据权利要求1所述的钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，其特征在于，步骤1)中所述Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体的粒径范围为70nm～100nm。3.根据权利要求1所述的钬铥双掺钆镓石榴石激光透明陶瓷制备方法，其特征在于，步骤1)中所述溶胶凝胶法制备Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体的具体过程如下：①将Tm2O3粉末、Ho2O3粉末、Gd2O3粉末和Ga2O3粉末，按照Tm、Ho、Gd、Ga摩尔比为x：y：(3-x-y)：5称量药品并将其分别溶于浓度为5mol/L的稀硝酸，得到四种溶液，并将所述四种溶液在烧杯中混合，得到Tm，Ho，Gd、Ga离子硝酸盐溶液，其中0<x≤3,0<y≤1；②向Tm，Ho，Gd、Ga离子硝酸盐溶液中加入柠檬酸,柠檬酸的摩尔数与Tm，Ho，Gd、Ga四种金属离子的总摩尔数比为1.5:1，利用氨水调节pH值至2.0～2.5，得到混合溶液；③将步骤②得到的混合溶液放在磁力加热搅拌器上，在60℃条件下加热搅拌6h,得到溶胶，再将溶胶在80℃下继续搅拌3h，得到透明凝胶；再在干燥箱里加热至180℃，保温3h,使凝胶生长为多孔性棕色蓬松物；④将多孔性棕色蓬松物研磨后在马弗炉中置于1100℃下煅烧3h，得到Tm，Ho：Gd3Ga5O12激光陶瓷前驱纳米粉体。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学建，李春，曾繁明，李永涛，刘卉昇，林海，夏晨阳，葛林才，张守丰，刘景和，
申请(专利权)人：吉林建筑大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22