一种具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开的具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷，其晶粒的核层为(Y,M)

Yttrium oxide based laser ceramic with core shell structure and preparation method thereof

The invention discloses an yttrium base laser ceramic with a core shell structure, wherein the grain layer of the laser is (Y, M)

【技术实现步骤摘要】
一种具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种氧化钇基激光陶瓷及其制备方法，尤其是具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷及其制备方法，属于材料科学

技术介绍
氧化钇是立方晶系晶体，具有优良的透光性能，并且具有熔点高、化学和光化学稳定性好、热导率高、光学透明性范围宽(0.23～8.0μm)等优点，特别是在红外区域，具有80%以上的理论透过率；其声子能量低，易实现稀土离子的掺杂改性，一定程度上可以抑制无辐射跃迁，提高辐射跃迁的几率，从而提高发光量子效率，是作为固体激光介质材料的重要基质材料。Y2O3的熔融温度高达2430℃，在2280℃时还会发生立方相向六方相的多晶相变，因此采用传统提拉法很难生长Y2O3单晶。采用传统陶瓷工艺，可以在远低于Y2O3熔点的温度下制备透明陶瓷，节省生产成本、提高生产效率，更重要的是陶瓷制备工艺容易实现激活离子的高掺杂，可以极大的提高激光输出功率，从而使高熔点氧化物用作光学介质和激光介质成为可能。氧化钇透明陶瓷的烧结温度一般在2000℃以上，采用真空烧结和纳米粉体制备技术后，烧结温度降到1700℃，比它的熔融温度低700℃。陶瓷材料是多晶体，其晶界、气孔和晶格的不完整性等都会增加光的散射损失造成材料的不透明性，对于Y2O3基透明陶瓷的研究发现，La3+和Zr4+的掺杂能有效改善Y2O3基透明陶瓷的烧结性能，提高Y2O3基陶瓷的致密度，从而提高其透过率。稀土掺杂的Y2O3基透明陶瓷的激光性能已经得到广泛研究，如Lu等制备出掺杂浓度为1.5at%的Nd:Y2O3透明陶瓷，以807nm的LD为泵浦源，在742mW的泵浦功率下，获得了160mW的激光输出。Akira首先报道了二极管抽运的Yb:Y2O3飞秒陶瓷激光器，在吸收2.6W的抽运功率时，获得中心波长1076.5nm、平均功率420mW的激光输出。Kong利用Yb:Y2O3陶瓷激光器，实现波长1078nm、最高功率4.2W的激光输出。为进一步提高Y2O3透明陶瓷的烧结性能以及发光性能，上海大学杨秋红课题组以La2O3为烧结助剂，采用低温烧结方法在无压还原气氛下制备出透明性良好的氧化镧钇激光陶瓷，发现添加的La2O3有效改善了Y2O3透明陶瓷的烧结性能，并具有良好的激光光谱性能。美国军方实验室首次报道了在Er3+:Y2O3透明陶瓷中获得2.71μm的中红外激光输出，室温下最大输出功率380mW。虽然氧化钇基激光陶瓷得到了广泛的研究报道，但从目前国内外研究现状来看，当稀土离子掺杂浓度较低时，激光效率偏低；尽管在理论上可以通过增加稀土离子掺杂浓度来提升激光性能，但相关研究表明激光陶瓷随着稀土掺杂浓度的提高会出现散射增加、光束品质因数降低等问题。由于激光的方向性极强，任何微小折射都会导致光线折射而引起误差和损耗。因此，在保持Y2O3基透明陶瓷良好的化学和光化学性能的前提下，避免其出现大的晶格畸变、减少散射损耗，同时保持良好的烧结性能，是Y2O3基激光陶瓷更为广泛应用的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷及其制备方法，在减少晶格畸变的基础上，利于提高氧化钇基激光陶瓷的烧结性能与激光性能。本专利技术的具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷，其特征在于陶瓷晶粒的核层为(Y1-xMx)2O3相、壳层为(Y1-yNy)2O3相，其中0.005≤x≤0.15，0.05≤y≤0.2，M为稀土发光离子Ce、Pr、Dy、Er、Tm、Ho和Nd中的一种，N为烧结助剂La、Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg中的一种或几种，壳层物质与核层物质的摩尔比为0.01～0.2:1。本专利技术具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷的制备方法，有以下两种方案：方案1：制备具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷的方法，包括下述步骤：(1)按核层物质的量称取钇的化合物和M元素的化合物，并放入去离子水中混合均匀，然后以氧化锆球为磨介，球磨混合4～24小时，干燥后再在1250～1550℃煅烧2～8小时，获得M固溶入Y2O3中的(Y,M)2O3相粉体；(2)按壳层物质的量称取钇的化合物和N元素的化合物，并放入去离子水中混合均匀，然后加入步骤(1)合成的(Y,M)2O3相粉体，球磨混合4～24小时，随后将混合物进行喷雾干燥，除掉去离子水；(3)将喷雾干燥后获得的粉体放入模具中，在10～40MPa的压力下成型，然后升温到1050～1250℃保温1～4小时，冷却后再放入等静压机中，在180～300MPa下进行等静压；(4)将等静压后的产物放在真空炉中，在1550～1750℃保温4～24小时，冷却后再在900～1500℃的空气中退火2～8小时，得到具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷。本方案中，所述的钇的化合物为氧化钇、硝酸钇和醋酸钇中的一种或几种；所述的M元素的化合物为氧化铈、硝酸铈、醋酸铈、氧化镨、硝酸镨、醋酸镨、氧化镝、硝酸镝、醋酸镝、氧化铒、硝酸铒、醋酸铒、氧化铥、硝酸铥、醋酸铥、氧化钬、硝酸钬、醋酸钬、氧化钕、硝酸钕和醋酸钕中的一种；所述的N元素的化合物为硝酸镧、醋酸镧、硝酸锆、醋酸锆、钛酸四丁酯、硝酸钛、硝酸锰、醋酸锰、硝酸铝、醋酸铝、硝酸钙、醋酸钙、硝酸锌、醋酸锌、硝酸镁和醋酸镁中的一种或几种。方案2：制备具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷的方法，包括下述步骤：(1)按核层物质的量称取钇的化合物和M元素的化合物，并放入去离子水中混合均匀，然后以氧化锆球为磨介，球磨混合4～24小时，干燥后再在1250～1550℃煅烧2～8小时，获得M固溶入Y2O3中的(Y,M)2O3相粉体；(2)按壳层物质的量称取钇的化合物和N元素的化合物，并放入去离子水中混合均匀，然后以氧化锆球为磨介，球磨混合4～24小时，干燥后再在1050～1250℃煅烧1～4小时，获得N固溶入Y2O3中的(Y,N)2O3相粉体；(3)将上述步骤(1)与步骤(2)制备的粉体进行混合，放入球磨罐中，以氧化锆球为磨介，球磨混合4～24小时，得到混合粉体；(4)将上述混合粉体干燥后压制成型，经过180～300MPa的冷等静压，然后放在真空炉中，在1550～1750℃保温4～24小时，冷却后再在900～1500℃的空气中退火2～8小时，得到具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷。本方案中，所述的钇的化合物为氧化钇、硝酸钇和醋酸钇中的一种或几种；所述的M元素的化合物为氧化铈、硝酸铈、醋酸铈、氧化镨、硝酸镨、醋酸镨、氧化镝、硝酸镝、醋酸镝、氧化铒、硝酸铒、醋酸铒、氧化铥、硝酸铥、醋酸铥、氧化钬、硝酸钬、醋酸钬、氧化钕、硝酸钕和醋酸钕中的一种；所述的N元素的化合物为氧化镧、硝酸镧、醋酸镧、氧化锆、硝酸锆、醋酸锆、氧化钛、钛酸四丁酯、硝酸钛、氧化锰、硝酸锰、醋酸锰、氧化铝、硝酸铝、醋酸铝、氧化钙、硝酸钙、醋酸钙、氧化锌、硝酸锌、醋酸锌、氧化镁、硝酸镁和醋酸镁中的一种或几种。本专利技术具有以下有益效果：先将钇的化合物与M的化合物进行球磨混合，再在1250～1550℃煅烧，即可获得M固溶入Y2O3中的(Y,M)2O3相粉体，由于M是稀土发光离子（Ce、Pr、Dy、Er、Tm、Ho、Nd中的一种），该结构具有良好的发光性能；随后将钇的化合物与N的化合物包覆在(Y,M)2O3相粉体的周围，或者将钇的化合物与N的化合物球磨混合并经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷，其特征在于陶瓷晶粒的核层为(Y

【技术特征摘要】
1.一种具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷，其特征在于陶瓷晶粒的核层为(Y1-xMx)2O3相、壳层为(Y1-yNy)2O3相，其中0.005≤x≤0.15，0.05≤y≤0.2，M为稀土发光离子Ce、Pr、Dy、Er、Tm、Ho和Nd中的一种，N为烧结助剂La、Zr、Ti、Mn、Al、Ca、Zn和Mg中的一种或几种，壳层物质与核层物质的摩尔比为0.01～0.2:1。2.制备权利要求1所述的具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷的方法，其特征在于包括下述步骤：(1)按核层物质的量称取钇的化合物和M元素的化合物，并放入去离子水中混合均匀，然后以氧化锆球为磨介，球磨混合4～24小时，干燥后再在1250～1550℃煅烧2～8小时，获得M固溶入Y2O3中的(Y,M)2O3相粉体；(2)按壳层物质的量称取钇的化合物和N元素的化合物，并放入去离子水中混合均匀，然后加入步骤(1)合成的(Y,M)2O3相粉体，球磨混合4～24小时，随后将混合物进行喷雾干燥，除掉去离子水；(3)将喷雾干燥后获得的粉体放入模具中，在10～40MPa的压力下成型，然后升温到1050～1250℃保温1～4小时，冷却后再放入等静压机中，在180～300MPa下进行等静压；(4)将等静压后的产物放在真空炉中，在1550～1750℃保温4～24小时，冷却后再在900～1500℃的空气中退火2～8小时，得到具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷。3.根据权利要求2所述的制备具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷的方法，其特征在于所述的钇的化合物为氧化钇、硝酸钇和醋酸钇中的一种或几种。4.根据权利要求2所述的制备具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷的方法，其特征在于所述的M元素的化合物为氧化铈、硝酸铈、醋酸铈、氧化镨、硝酸镨、醋酸镨、氧化镝、硝酸镝、醋酸镝、氧化铒、硝酸铒、醋酸铒、氧化铥、硝酸铥、醋酸铥、氧化钬、硝酸钬、醋酸钬、氧化钕、硝酸钕和醋酸钕中的一种。5.根据权利要求2所述的制备具有核壳结构的氧化钇基激光陶瓷的方法，其特征在于所述的N元素的化合物为硝酸镧、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焕平，田颖，杨清华，徐时清，雷若姗，肖珍，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33