一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷，其化学组成为(Zn1‑xCox)Al2O4，其中0.0005≤x≤0.002，该透明陶瓷可用于固体激光器被动Q开关，其制备方法包括：将5‑20份NH4Al(SO4)2·12H2O、5‑20份ZnSO4·7H2O、1‑5份Co(NO3)·6H2O、5‑20份去离子水混合均匀后放入马弗炉内，在1100‑1400℃烧结1‑6h得(Zn1‑xCox)Al2O4纳米粉体，所述纳米粉体与0.1‑5份TEOS、乙醇溶剂混合均匀后经研磨、干压成型、冷等静压处理得陶瓷坯体，所述陶瓷坯体在1200‑1400℃烧结5‑30min，即得。该透明陶瓷具有优异的光学性能、物化性能、高低温稳定性以及比透明微晶玻璃更好的抗热震性和抗激光破坏性，其在被动调Q开关技术中具有良好的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术涉及透明陶瓷
，具体涉及一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
掺铒激光玻璃发射的1.54μm激光，由于具有高的大气透过能力和极好的人眼安全特性，在激光测距、光通信以及医疗等领域具有广泛的应用。其中的大多数应用，均需要高峰值功率的纳米级脉冲，即需要实现调Q。被动调Q具有操作简单、高效稳定，成本较低等优点。良好的被动调Q可饱和吸收材料应具有如下性能：在激光波段具有较短的驰豫时间，较大的基态吸收截面和较小的激发态吸收截面，同时具有稳定的物化性能、良好的导热性、抗激光损伤性以及稳定的高低温特性等。用于固体激光器的被动调Q技术是通过在谐振腔内插入可饱和吸收体材料来实现调Q运转的。目前，被动调Q技术的材料主要有有机染料、色心晶体及透明微晶玻璃等。其中，有机染料热稳定性差、易退化，导致输出的调Q脉冲极不稳定；色心晶体易褪色；掺Co2+离子的晶体(如Y3Al5Ol2，MgAl2O4和LaMgAl11O19等)制备难度大、掺杂不易均匀、成本高；掺Co2+离子的透明微晶玻璃需要在高温下熔制，制备工艺过程困难，较难获得很好的光学均匀性和较低的光学损耗。此外，包含玻璃的微晶玻璃其抗热震性和抗激光破坏性有一定的局限性，限制了其应用。最近几年发展起来的ZnAl2O4及MgAl2O4等透明陶瓷，由于其优异的热学和力学性能、高度的透明度，在激光领域具有巨大的应用前景。Co2+在1.3-1.6μm波段具有强的吸收特性，主要用作1.34μm和1.54μm波段激光器调Q材料的激活离子。但是，目前透明陶瓷的制备条件比较苛刻，杂质和孔隙的引入会影响陶瓷的透明度。如何实现掺杂离子的引入而不破坏陶瓷的透明度及其他性能，是掺杂离子透明陶瓷制备工艺中需要解决的首要问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有透明陶瓷制备工艺困难、固体激光器被动调Q技术材料存在的不足，提供一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷及其制备方法和应用。该透明陶瓷具有优异的光学性能、物化性能、高低温稳定性以及比透明微晶玻璃更好的抗热震性和抗激光破坏性，其在被动调Q开关技术中具有良好的性能。本专利技术解决其技术问题的方案如下：一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷，其化学组成为(Zn1-xCox)Al2O4，其中x的取值范围为0.0005≤x≤0.002。所述Co:ZnAl2O4透明陶瓷作为固体激光器被动Q开关基质材料的应用。一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷的制备方法，包括以下步骤：a)向烧杯中加入一定量的NH4Al(SO4)2·12H2O、ZnSO4·7H2O、Co(NO3)·6H2O和去离子水，搅拌一定时间使各物质充分溶解得到混合溶液；b)将混合溶液置于坩埚中并放进马弗炉内加热至一定温度后保温烧结，烧结完成后自然冷却至室温并过筛，得到(Zn1-xCox)Al2O4纳米粉体；c)将一定量TEOS分散于乙醇溶剂中，将其与步骤b)制得的(Zn1-xCox)Al2O4纳米粉体混合均匀，所得混合物经研磨、过筛、干压成型、冷等静压处理得陶瓷坯体；d)将陶瓷坯体置于放电等离子烧结炉中烧结得(Zn1-xCox)Al2O4透明陶瓷。优选的，各物质的用量按重量份数计为5-20份NH4Al(SO4)2·12H2O，5-20份ZnSO4·7H2O，1-5份Co(NO3)·6H2O，5-20份去离子水，0.1-5份TEOS。步骤a)中搅拌温度为40-100℃，搅拌速度20-1000rpm，搅拌时间0.5-6h。步骤b)中马弗炉的升温速率为2-10℃/min，升温至1100-1400℃并保温1-6h，过筛所使用的筛网为200目。步骤c)干压成型时压片机的压力控制在5-75MPa，冷等静压处理时的压力控制在100-500MPa。步骤d)放电等离子烧结炉升温速率为2-20℃/min，陶瓷坯体烧结压力20-200MPa，保温温度1200-1400℃，保温时间5-30min。本专利技术将TEOS引入到掺Co透明陶瓷的制备中，利用TEOS的溶胶凝胶反应生成二氧化硅胶体粒子。二氧化硅胶体粒子在高温烧结过程中具有良好的流动性，一方面可以填充Co:ZnAl2O4纳米粉体烧结过程中留下的孔洞，另一方面透明性优异的二氧化硅可以与Co离子相互作用，减弱Co对陶瓷透明性的影响。本专利技术提供的Co:ZnAl2O4透明陶瓷制备工艺简单、周期短、能耗低、成本低，陶瓷的透明性及力学性能没有受到掺杂离子的影响，用于固体激光器被动Q开关具有较高的经济效益和社会效益。附图说明图1为本专利技术实施例2制备的(Zn0.999Co0.001)Al2O4透明陶瓷实物照片。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细描述，但这些实施例均不构成对本专利技术的限制。实施例1一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷，化学组成为(Zn0.9995Co0.0005)Al2O4，其制备方法如下：首先按重量份数计称取5份NH4Al(SO4)2·12H2O，5份ZnSO4·7H2O和1份Co(NO3)·6H2O，将上述物质放入烧杯中，加入5份去离子水。将烧杯置于磁力搅拌器上，在40℃以20rmp的搅拌速度保温搅拌0.5h，使各物质充分溶解并分散均匀。将混合好的溶液置于坩埚中，将坩埚放入马弗炉内，以2℃/min的升温速率升温至1100℃，保温1h，然后自然冷却至室温，得到(Zn0.9995Co0.0005)Al2O4纳米粉体，粉体过200目筛备用。将0.1份的TEOS(正硅酸乙酯)分散于乙醇溶剂中，与粉体混合后研磨、过筛，在压片机上以5MPa的压力干压成型，再经100MPa冷等静压处理制成陶瓷坯体。将陶瓷坯体放入放电等离子烧结炉中烧结，升温速率为2℃/min，保温温度为1200℃，烧结压力为20MPa，烧结保温时间为5min。烧结完成后得到(Zn0.9995Co0.0005)Al2O4透明陶瓷。本专利技术各实施例所用的化学原料均为分析纯。经分析测试，本实施例制备的(Zn0.9995Co0.0005)Al2O4透明陶瓷在可见光波段550nm处的直线透过率为55％，在红外波段2500nm处的直线透过率为80％。实施例2一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷，化学组成为(Zn0.999Co0.001)Al2O4，其制备方法如下：首先按重量份数计称取20份NH4Al(SO4)2·12H2O，20份ZnSO4·7H2O和5份Co(NO3)·6H2O，将上述物质放入烧杯中，加入20份去离子水。将烧杯置于磁力搅拌器上，在100℃以1000rmp的搅拌速度保温搅拌6h，使各物质充分溶解并分散均匀。将混合好的溶液置于坩埚中，将坩埚放入马弗炉内，以10℃/min的升温速率升温至1400℃，保温6h，然后自然冷却至室温，得到(Zn0.999Co0.001)Al2O4纳米粉体，粉体过200目筛备用。将5份的TEOS分散于乙醇溶剂中，与粉体混合后研磨、过筛，在压片机上以75MPa的压力干压成型，再经500MPa冷等静压处理制成陶瓷坯体。将陶瓷坯体放入放电等离子烧结炉中烧结，升温速率为20℃/min，保温温度为1400℃，烧结压力为200MPa，烧结保温时间为30min。烧结完成后得到(Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷，其特征在于：该透明陶瓷的化学组成为(Zn1‑xCox)Al2O4，其中x的取值范围为0.0005≤x≤0.002。

【技术特征摘要】
1.一种Co:ZnAl2O4透明陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)向烧杯中加入一定量的NH4Al(SO4)2·12H2O、ZnSO4·7H2O、Co(NO3)·6H2O和去离子水，搅拌一定时间使各物质充分溶解得到混合溶液；b)将混合溶液置于坩埚中并放进马弗炉内加热至一定温度后保温烧结，烧结完成后自然冷却至室温并过筛，得到(Zn1-xCox)Al2O4纳米粉体；c)将一定量TEOS分散于乙醇溶剂中，将其与步骤b)制得的(Zn1-xCox)Al2O4纳米粉体混合均匀，所得混合物经研磨、过筛、干压成型、冷等静压处理得陶瓷坯体；d)将陶瓷坯体置于放电等离子烧结炉中烧结得(Zn1-xCox)Al2O4透明陶瓷；其中各物质的用量按重量份数计为：5-20份NH4Al(SO4)2·12H2O，5-20份ZnSO4·7H2O，1-5份Co(NO3)·6H2O，5-20份去...

【专利技术属性】
技术研发人员：付萍，王子颖，王戈明，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42