一种提升YAG基透明陶瓷掺杂离子固溶度的方法技术

本发明专利技术公开了一种提升YAG基透明陶瓷掺杂离子固溶度的方法，YAG基透明陶瓷组分满足下式：(Re

A method to improve the solid solubility of doped ions in YAG based transparent ceramics

【技术实现步骤摘要】
一种提升YAG基透明陶瓷掺杂离子固溶度的方法
本专利技术涉及先进陶瓷制备
，具体涉及一种提升YAG(钇铝石榴石，Y3Al5O12)基透明陶瓷掺杂离子固溶度的方法。
技术介绍
固体激光器以其峰值功率高、效率高、寿命长、安全可靠等优点，在激光器应用领域中已处于主导地位，在国防军工、工业加工、和科研等领域应用广泛。固体激光器的核心部件是增益介质，其对激光输出性能的好坏起着决定性的作用，因此，对固体激光器增益介质进行深入研究具有十分重要的意义。目前固体激光器增益介质主要为单晶材料，然其具有成本高、生产周期长、工艺复杂、难以实现高浓度及均匀掺杂和大尺寸制备等缺陷，难以满足日新月异的激光技术发展的需求。透明陶瓷作为一种全新的固体激光材料，其无论是制备技术还是材料性能等方面都具有传统单晶材料和玻璃材料无可比拟的优势，能够完全克服单晶材料的缺陷，发展极为迅速，已经成为激光材料研究的热点和重点，被认为是继单晶材料之后的下一代激光材料。目前，各种稀土离子掺杂激光透明陶瓷材料层出不穷，如YAG、倍半氧化物、尖晶石、氟化物等体系，各种陶瓷基激光输出也相继被报导，并已经在许多重要领域中获得初步应用，其取代单晶成为下一代激光增益介质正逐步成为现实。在所有的透明陶瓷材料体系中，YAG基透明陶瓷以其易于制备和良好的物理化学性能等优势，是激光材料研究领域的热点和重点，目前已经成为研究成果最为丰硕、应用最为广泛的透明陶瓷材料体系，发展前景十分广阔。众所周知，单晶材料受分凝系数制约，极大地限制了掺杂离子的固溶度。以Nd3+离子为例，其在YAG单晶中的分凝系数仅为0.2，因此几乎没有Nd3+离子掺杂浓度高于1.0at.％的Nd:YAG单晶。对于透明陶瓷材料，其本征“晶界效应”能够适当缓解由于离子掺杂导致的晶格内应力，可在一定程度上增大掺杂离子的固溶度，但尽管如此，在较高离子掺杂浓度下极易造成晶间相析出，降低陶瓷光学质量。文献1(JingLi,etal.,Opt.Mater.,35(2013),748-752.)采用固相反应法真空烧结制备了Ho:YAG透明陶瓷，其仅能在Ho3+离子掺杂浓度为0.3at.％时获得最佳光学质量，随着Ho3+离子掺杂浓度增加，陶瓷光学质量逐渐下降。文献2(A.Ikesue,etal.,J.Am.Ceram.Soc.,79(1996),1921-1926.)研究发现，在Nd:YAG透明陶瓷中，当Nd3+离子的掺杂浓度超过1.1at.％时，由离子掺杂导致的晶界偏析效应抑制了陶瓷的晶粒生长，降低陶瓷光学质量，提升了激光震荡阈值。文献3(T.Zhou,etal.,Ceram.Int.,44(2018),13820-13826.)报道了不同Cr离子掺杂浓度下Cr,Nd:YAG透明陶瓷，当Cr离子掺杂浓度高于0.9at.％时可观察到晶内气孔，这是由于未固溶的Cr2O3在陶瓷烧结时与YAG基质相互作用形成共熔物，加剧晶界迁移使气孔被包裹在晶粒内部的缘故。文献4(W.Zhao,etal.,Opt.Mater.,33(2011),684-687.)报道了Ce:YAG透明陶瓷的Ce3+离子晶界偏析情况，研究发现即使是0.1at.％Ce:YAG透明陶瓷，其晶界处的Ce3+离子浓度明显高于晶粒内部。以上文献所报道的高掺杂稀土及过渡金属离子的YAG基透明陶瓷普遍存在透过率偏低等问题，远不及YAG单晶的光学质量，无法满足固体激光应用需求，其主要原因在于高掺杂导致的晶界偏析效应，造成光散射，导致透明陶瓷光学质量降低。考虑到固体激光器集成化、小型化发展趋势，特别是光纤和碟片激光器发展势头强劲，目前已取代Nd:YAG激光器的大部分功能，使高掺杂增益介质的市场需求日益增大。因此，如何实现不损害YAG透明陶瓷光学质量的前提下，尽可能提升其掺杂浓度，是本领域发展的主要瓶颈之一。然而迄今为止，本领域尚未开发出高质量、高掺杂浓度YAG基透明陶瓷材料及其制备方法。因此，本领域迫切需要开发出一种既能够有效提升离子掺杂浓度，又能够满足固体激光应用需求的YAG基透明陶瓷材料的制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种提升YAG基透明陶瓷掺杂离子固溶度的方法，在不影响透明陶瓷光学质量的前提下，提升掺杂离子固溶度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种提升YAG基透明陶瓷掺杂离子固溶度的方法，所制备的YAG基透明陶瓷组分满足下式：(RexY1-x)3(CryAl1-y-z)5O12式中x的取值范围是0≤x≤0.08，y的范围是0≤y≤0.05，z的范围是-0.028≤z≤0.020，Re为Ce、Nd、Ho的一种。所制备的YAG透明陶瓷1064nm处线透过率高于83.5％-84.6％。陶瓷晶粒尺寸为5.5-12.6μm，粒径分布均匀，可完全满足固体激光器应用需求。具体步骤如下：S1.浆料配制：根据化学式(RexY1-x)3(CryAl1-y-z)5O12，0≤x≤0.08，0≤y≤0.05，-0.028≤z≤0.020中各元素的化学计量比分别称取Y2O3粉体、α-Al2O3粉体、Re2O3粉体或ReO2粉体、Cr2O3粉体，称量后置于球磨罐中，加入烧结助剂、分散剂和无水乙醇配制浆料；S2.球磨及粉体处理：将装有浆料和磨球的球磨罐置于球磨机中进行球磨，得到混合浆料，将混合浆料置于烘箱中干燥，再将干燥后的粉料研磨过筛；S3.粉体成型：将步骤S2中过筛后的粉体置于模具中，采用10Mpa-80Mpa压力压制成素坯，将获得的素坯置于密封袋中，于80Mpa-300Mpa压力下冷等静压成型，保压时间为1-40min；将上述冷等静压压制后的素坯置于马弗炉中，在空气或氧气气氛下于400-1200℃预煅烧2-16h，并降温至20-50℃；S4.素坯烧结：将步骤S3中预煅烧后的素坯置于真空烧结炉中，首先于1300-1600℃保温1-10h使陶瓷实现完全纯相转变，然后升温至1660℃-1850℃真空烧结陶瓷4-90h，并降温至30-50℃，真空度为10-3-10-5Pa；S5.退火：将真空烧结后的陶瓷在空气或氧气气氛下，于850-1550℃退火2-80h，并降温至室温；S6.磨砂抛光：退火后的陶瓷进行磨砂减薄和抛光处理，得到厚度为1-5mm的YAG基透明陶瓷材料。优选的，步骤S1中，所述烧结助剂为正硅酸乙酯(TEOS)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)的一种或多种，烧结助剂总添加量为Y2O3粉体、α-Al2O3粉体质量总和的0.02-0.80wt.％；所述分散剂为DS005，分散剂添加量为Y2O3粉体、α-Al2O3粉体质量总和的0.03-1.20wt.％；最终配制的浆料固含量为25％-60vol.％。优选的，所述球磨罐为氧化铝球磨罐、尼龙球磨罐或聚四氟乙烯球磨罐的一种；所述磨球为高纯氧化铝球、高纯氧化锆球或玛瑙球的一种。优选的，步骤S2中，球磨转速为80-300r/min，球磨时间为8-40h；干燥温度为35-150℃，干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提升YAG基透明陶瓷掺杂离子固溶度的方法，其特征在于，所制备的YAG基透明陶瓷组分满足下式：/n(Re

【技术特征摘要】
1.一种提升YAG基透明陶瓷掺杂离子固溶度的方法，其特征在于，所制备的YAG基透明陶瓷组分满足下式：
(RexY1-x)3(CryAl1-y-z)5O12，
式中x的取值范围是0≤x≤0.08，y的范围是0≤y≤0.05，z的范围是-0.028≤z≤0.020，Re为Ce、Nd、Ho的一种；
具体步骤如下：
S1.浆料配制：根据化学式(RexY1-x)3(CryAl1-y-z)5O12，0≤x≤0.08，0≤y≤0.05，-0.028≤z≤0.020中各元素的化学计量比分别称取Y2O3粉体、α-Al2O3粉体、Re2O3粉体或ReO2粉体、Cr2O3粉体，称量后置于球磨罐中，加入烧结助剂、分散剂和无水乙醇配制浆料；
S2.球磨及粉体处理：将装有浆料和磨球的球磨罐置于球磨机中进行球磨，得到混合浆料，将混合浆料置于烘箱中干燥，再将干燥后的粉料研磨过筛；
S3.粉体成型：将步骤S2中过筛后的粉体置于模具中，采用10Mpa-80Mpa压力压制成素坯，将获得的素坯置于密封袋中，于80Mpa-300Mpa压力下冷等静压成型，保压时间为1-40min；将上述冷等静压压制后的素坯置于马弗炉中，在空气或氧气气氛下于400-1200℃预煅烧2-16h，并降温至20-50℃；
S4.素坯烧结：将步骤S3中预煅烧后的素坯置于真空烧结炉中，首先于1300-1600℃保温1-10h使陶瓷实现完全纯相转变，然后升温至1660℃-1850℃真空烧结陶瓷4-90h，并降温至30-50℃，真空度为10-3-10-5Pa；
S5.退火：将真空烧结后的陶瓷在空气或氧气气氛下，于850-1550℃退火2-80h，并降温至室温；
S6.磨砂抛光：退火后的陶瓷进行磨砂减薄和抛光处理，得到厚度为1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩，邵岑，周天元，王骋，陈东顺，张乐，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32