钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷，它为钕离子与氟化锶基体通过化学反应形成的置换式固溶体，再经热压烧结和后处理等操作形成致密度接近99.8％的激光透明陶瓷。首先用共沸蒸馏法制备Nd3+:SrF2纳米粉体，采用正丁醇作为共沸剂进行共沸蒸馏使凝胶中的水分最大限度的被去除，所得粉体不易团聚，粒度分布均匀，晶粒尺寸为15～30nm；然后以LiF为烧结助剂，采用真空热压烧结技术，制备激光透明陶瓷，在可见光、近红外波段的最大透过率为85.83％，在576nm、735nm、796nm处有较强的吸收峰。本发明专利技术成型工艺简单，适合大规模生产，成本低，且制备的激光透明陶瓷光学均匀性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于先进光功能透明陶瓷研究领域，具体涉及一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷及其制备方法。
技术介绍
自从1960年Maiman研制出第一个红宝石固体激光器(参考文献Maiman T H.Optical and microwave-optical experiments in ruby.Phys.Rev.Lett.,1960,4(11):564-566)，固体激光技术迅猛发展。在所有的固体激光材料中，YAG晶体的综合性能最优。然而由于激光晶体存在一些难以克服的缺点，材料科学家一直在探索新型的固体激光材料。1964年，Hatch(参考文献Hatch S E,Parsons W F,Weagley R J.Hot pressed polycrystalline CaF2:Dy2+laser.Appl.Phys.Lett.,1964,5(8):153-154)以DyF3和CaF3粉体为原料，在真空中熔融后粉碎成颗粒尺寸150um的粉体，然后采用真空热压烧结技术制备了Dy3+:CaF2透明陶瓷。样品通过退火工艺，以消除热应力，然后在0.25Mev的X射线辐照下使Dy3+还原成Dy2+。在液氮冷却条件下，采用氙灯泵浦Dy3+:CaF2透明陶瓷实现激光输出，激光阀值为24.6J(与单晶相似)，这是历史上第一个陶瓷固体激光器。在激光陶瓷的发展历史中，氧化物系列激光陶瓷一直是研究最多的对象，最优异的激光性能也是从氧化物中的钇铝石榴石(YAG)上产生的。第一块氧化物激光陶瓷为美国学者Greskovic制备的Nd3+：Y2O3-Th2O3(10％)陶瓷(参见文献Greskovich C,Chernoch J P.Polycrystalline Ceramic Lasers[J].Journal of Applied Physics,1973,44(10)：4599-4606.)。除了氧化物激光陶瓷，研究最多的还有氟化物激光陶瓷，俄罗斯Basiev研究小组用Yb3+掺杂CaF2-SrF2陶瓷(参见文献Basiev T T,Doroshenko M E,Fedorov P P,et al.Efficient Laser Based on CaF2-SrF2-YbF3Nanoceramics[J].Optics Letters,2008,33(5):521-523.)。稀土元素的原子具有丰富的电子能级，电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，在光、电、磁领域得到广泛的应用。钕离子(Nd3+)相对于其他稀土离子具有如下优点：1.能在近百种不同基质中产生激光，包括晶体、玻璃、陶瓷、液体。2.属于四能级系统，并且具有一个高量子效率的亚稳态能级。3.从可见到近红外区域，有很多条吸收带，能确保有效的泵浦。4.一些吸收带能与GaAs-GaAlAs激光器的发射带有效的耦合，因此Nd3+很适合用于以GaAs为基础的光电子系统或装置中。Sr与Ca在元素周期表中为同一族元素，以SrF2为基质制备Nd3+：SrF2激光陶瓷具有极其重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷及其制备方法，该方法制备的陶瓷的致密度高、透过率高。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷，其特征在于它由Nd3+:SrF2湿凝胶、正丁醇和烧结助剂制备而成，采用正丁醇作为共沸剂进行共沸蒸馏使Nd3+:SrF2湿凝胶中的水被去除，温度继续升高至正丁醇的沸点，将剩余的共沸剂正丁醇蒸出，干燥，研磨，得到Nd3+:SrF2纳米粉体；然后以LiF为烧结助剂，Nd3+:SrF2纳米粉体采用真空热压烧结，得到钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷。所述Nd3+:SrF2湿凝胶由包含Sr(NO3)2·4H2O、Nd(NO3)3·6H2O和KF·2H2O制备而成。一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)按Sr(NO3)2·4H2O、Nd(NO3)3·6H2O、KF·2H2O的配比为0.0398mol-0.1194mol:0.0020mol-0.0063mol:0.0520mol-0.175mol，选取Sr(NO3)2·4H2O、Nd(NO3)3·6H2O和KF·2H2O；将Sr(NO3)2·4H2O和Nd(NO3)3·6H2O溶于水中用磁力搅拌器进行搅拌配制成阳离子混合液；将KF·2H2O溶于水中用磁力搅拌器进行搅拌配制成阴离子溶液；2)将溶有F-的阴离子溶液逐滴滴入溶有Sr2+和Nd3+的阳离子溶液中，滴定完成后，用磁力搅拌器搅拌，然后静置所得产物；3)将步骤2)所得产物进行超声波清洗、离心分离得到Nd3+:SrF2湿凝胶；4)按正丁醇的加入量为Nd3+:SrF2湿凝胶质量的60％～70％，将步骤3)所得Nd3+:SrF2湿凝胶中加入正丁醇，并在强力机械搅拌下充分混合，将混合后的悬浊液转移到三口烧瓶中进行油浴加热；5)当步骤4)体系的温度升高至正丁醇的沸点时，在此温度下回流，至此整个共沸过程结束，得到胶体；6)将步骤5)蒸馏后的胶体置于烘箱中干燥，得到疏松的粉体，再经过研磨，即可得到Nd3+:SrF2纳米粉体；7)以LiF为烧结助剂，称量步骤6)中Nd3+:SrF2纳米粉体装入石墨模具中，压实后放在真空热压炉中进行烧结；8)将步骤7)烧结后的样品取出，首先分别用粗、细砂纸磨，然后在精密研磨抛光机上双面抛光，得到钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷。上述方案中，步骤1)中所述阳离子混合液中Sr2+、Nd3+的摩尔浓度为0.25～10mol/L。阴离子溶液中F-的摩尔浓度为0.5～20mol/L。掺杂Nd3+为1％mol～10％mol。上述方案中，步骤2)中，滴定速度为50～200ml/min，静置所得产物时间为3～12h。上述方案中，步骤3)中离心机进行分离三次后，所得湿凝胶出现分层现象，所得白色
的湿凝胶在上层是纯SrF2，红色湿凝胶在下层是Nd3+:SrF2，将白色的湿凝胶去掉，留下红色的湿凝胶。上述方案中，步骤5)中体系的温度升高至正丁醇的沸点117℃时，在此温度下回流30min，在共沸过程中，可连续观察共沸温度以及脱除水分的体积，当悬浊液温度上升到共沸体系的沸点时，凝胶内的水分以共沸物的形式被带出而被脱除，当胶体内水分子被完全脱除后，体系的温度继续升高至正丁醇的沸点，将剩余的共沸剂正丁醇蒸出，采用常规的干燥方式将残余的共沸剂正丁醇除去。上述方案中，步骤5)中，共沸蒸馏法采用有机醇(正丁醇)作为共沸剂来处理前驱粉体，通过醇与前驱粉体表面的水分形成共沸物而使水分被脱除，这样大大减弱颗粒之间化学键的形成，抑制颗粒之间的聚集，从而防止干燥过程中硬团聚的形成。上述方案中，步骤7)中，按烧结助剂LiF的加入量为Nd3+:SrF2纳米粉体质量的0.5％～5％，称取2g的Nd3+:SrF2纳米粉体与烧结助剂LiF在酒精中湿混两小时，于80℃烘干，所得粉末倒入内径为16mm的石墨模具中。上述方案中，步骤7)中，真空热压炉中进行烧结为：第一次升温至400℃-800℃，保温时间为60分钟，再升温至620℃-1000℃，保温时间为30-40分钟，降温为随炉冷却。上述方案中，步骤7)中所用真空热压炉为上海辰荣生产的K本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷，其特征在于它由Nd3+:SrF2湿凝胶、正丁醇和烧结助剂制备而成，采用正丁醇作为共沸剂进行共沸蒸馏使Nd3+:SrF2湿凝胶中的水被去除，温度继续升高至正丁醇的沸点，将剩余的共沸剂正丁醇蒸出，干燥，研磨，得到Nd3+:SrF2纳米粉体；然后以LiF为烧结助剂，Nd3+:SrF2纳米粉体采用真空热压烧结，得到钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷，其特征在于它由Nd3+:SrF2湿凝胶、正丁醇和烧结助剂制备而成，采用正丁醇作为共沸剂进行共沸蒸馏使Nd3+:SrF2湿凝胶中的水被去除，温度继续升高至正丁醇的沸点，将剩余的共沸剂正丁醇蒸出，干燥，研磨，得到Nd3+:SrF2纳米粉体；然后以LiF为烧结助剂，Nd3+:SrF2纳米粉体采用真空热压烧结，得到钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷，其特征在于，所述Nd3+:SrF2湿凝胶由包含Sr(NO3)2·4H2O、Nd(NO3)3·6H2O和KF·2H2O制备而成。3.如权利要求1所述的一种钕掺杂氟化锶激光透明陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)按Sr(NO3)2·4H2O、Nd(NO3)3·6H2O、KF·2H2O的配比为0.0398mol-0.1194mol:0.0020mol-0.0063mol:0.0520mol-0.175mol，选取Sr(NO3)2·4H2O、Nd(NO3)3·6H2O和KF·2H2O；将Sr(NO3)2·4H2O和Nd(NO3)3·6H2O溶于水中用磁力搅拌器进行搅拌配制成阳离子混合液；将KF·2H2O溶于水中用磁力搅拌器进行搅拌配制成阴离子溶液；2)将溶有F-的阴离子溶液逐滴滴入溶有Sr2+和Nd3+的阳离子溶液中，滴定完成后，用磁力搅拌器搅拌，然后静置所得产物；3)将步骤2)所得产物进行超声波清洗、离心分离得到Nd3+:SrF2湿凝胶；4)按正丁醇的加入量为Nd3+:SrF2湿凝胶质量的60％～70％，将步骤3)所得Nd3+:SrF2湿凝胶中加入正丁醇，并在强力机械搅拌下混合，将混合后的悬浊液转移到三口烧瓶中进行油浴加热；5)当步骤4)体系的温度升高至正丁醇的沸点时，在此温度下回流，至此整个共沸过程结束，得到胶体；6)将步骤5)蒸馏后的胶体置于烘箱中干燥，得到疏松的粉体，再经过研磨，得到Nd3+:SrF2纳米粉体；7)以LiF为烧结助剂，称量步骤6)中Nd3+:SrF2纳米粉体装入石墨模具中，压实后放在真空热压炉中进行烧结；8)将步骤7)烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋京红，房亚华，梅炳初，朱春辉，张紫微，周志伟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42