一种复合陶瓷材料的制备方法及其应用技术

本申请涉及一种复合陶瓷材料的制备方法及其应用。所述复合陶瓷材料包括两层YAG层和夹在所述两层YAG层之间的金属掺杂的TSAG层；YAG层的分子式为Y3Al5O

A preparation method of composite ceramic material and its application

【技术实现步骤摘要】
一种复合陶瓷材料的制备方法及其应用


[0001]本申请属于磁光材料制备
，具体涉及一种复合陶瓷材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]磁光隔离器是一种非互易无源器件，主要功能为消除背向反射光而保护器件，是利用磁光材料的磁光特性及光、电、磁之间的相互作用和转换制成。随着激光器向高功率和小型化发展，需要光纤传输来保证光束的高质量传输。特别是高功率激光系统平均功率提高后，具有优良光学质量、高费尔德常数、高导热系数和低吸收系数的磁光材料成为研究热点。
[0003]通常情况下，在可见及近红外区域中，铽基材料是用于磁光隔离器最为广泛的材料，例如：铽铝石榴石(TAG)、铽镓石榴石(TGG)和铽钪铝石榴石(TSAG)等。虽然磁光晶体具有较高的费尔德常数和优良的磁光性能，但本身存在缺陷，如制备周期长、生产成本高、各向异性、无法大尺寸制备以及稀土离子掺杂量较少，而磁光透明陶瓷的制备不但可以克服以上缺点，同时其光学性能可以与对应单晶相媲美。此外，磁光透明陶瓷具有较高的热导率，断裂韧性高，抗热震性能好，这些性能上的优势满足了高功率激光器对磁光材料的性能要求，使得磁光透明陶瓷具有很好的应用前景。

技术实现思路

[0004]当前，TGG晶体在市场上应用最为广泛，得益于其可进行大尺寸制备，但是其磁光性能以及热学性能并不是最佳的。吴等人成功的制备了TSAG磁光透明陶瓷并与TGG晶体进行对比，证明了TSAG磁光透明陶瓷的磁光性能和热学性能均优于TGG晶体。铽钪铝石榴石(Tb3Sc2Al3O
12
，TSAG)是一种新型的磁光材料，与Tb3Al5O
12
(TAG)为异质同构，通过Sc
3+
取代TAG晶格中八面体位置的Al
3+
稳定了石榴石相，TSAG磁光材料在可见光波长范围内的费尔德常数为TGG单晶的1.3倍左右，表明TSAG陶瓷更能胜任于高功率激光器上。
[0005]热导率越高的磁光材料，越有可能运用在更高功率的激光器上，TSAG磁光晶体是可运用于高功率激光器上最具有潜力的材料之一。而YAG材料通常用作于激光晶体，其拥有更高的热导率，因此通过制备YAG
‑
Re:TSAG
‑
YAG复合磁光陶瓷，可作为磁光隔离器的核心材料，从而运用于更高功率的激光器上。
[0006]本申请所要解决的技术问题是制备一种复合磁光透明陶瓷(YAG
‑
Re:TSAG
‑
YAG)的制备方法。将其作为核心材料装载在磁光隔离器中，从而运用在高功率激光器上。
[0007]根据本申请的一个方面，提供一种复合陶瓷材料，
[0008]所述复合陶瓷材料包括两层YAG层和夹在所述两层YAG层之间的金属掺杂的TSAG层；
[0009]所述YAG层的分子式为Y3Al5O
12
；
[0010]所述金属掺杂的TSAG层的分子式为Tb3‑
x
Re
x
Sc2Al3O
12
；
[0011]其中，所述Re选自Ce、Pr、Ho、Dy、Eu、Yb、Er、Gd、Ga、Lu、Tm、Fe、Nd或La中的至少一种；
[0012]x的取值在0～1之间，可选地，x选自0.0075、0.06、0.03中的一种。
[0013]所述YAG层的厚度为1～2mm；
[0014]所述金属掺杂的TSAG层的厚度为2mm；
[0015]述复合陶瓷材料为石榴石结构。
[0016]所述复合陶瓷材料的致密度达到99.5％及以上，热导率高于Re:TSAG磁光透明陶瓷的热导率。
[0017]根据本申请的另一个方面，提供一种上述的复合陶瓷材料的制备方法，至少包括以下步骤：
[0018](1)分别获得YAG粉料和金属掺杂的TSAG粉料；
[0019](2)在模具中对(1)中得到的YAG粉料压制成型I，再加入(1)中得到的所述金属掺杂的TSAG粉料压制成型II，最后再加入(1)中得到的YAG粉料压制成型III，得到素坯，对所述素坯进行后处理，得到所述复合陶瓷材料。
[0020]所述获得YAG粉料的过程包括以下步骤：
[0021]将含有Y的氧化物和Al的氧化物的原料球磨I，干燥，得到所述YAG粉料；
[0022]所述Y的氧化物和Al的氧化物的摩尔比满足权利要求1中所述YAG层的分子式；
[0023]所述获得金属掺杂的TSAG粉料的过程包括以下步骤：
[0024]将含有Tb的氧化物、Re的氧化物、Sc的氧化物和Al的氧化物的原料球磨II，干燥，得到所述金属掺杂的TSAG粉料；
[0025]所述Tb的氧化物、Re的氧化物、Sc的氧化物和Al的氧化物的摩尔比满足权利要求1中所述金属掺杂的TSAG层的分子式。
[0026]所述获得YAG粉料的过程中的原料中还含有助剂I；
[0027]所述助剂I在所述YAG粉料中的质量含量为0.1～2wt％；所述助剂I在所述YAG粉料中的质量含量的上限为2wt％、1.5wt％、1wt％、0.5wt％；下限为0.1wt％、0.5wt％、1wt％、1.5wt％；
[0028]可选地，所述助剂I中所述氧化镁和正硅酸四乙酯的质量比为1:1～1:4；
[0029]可选地，所述助剂I在所述YAG粉料中的质量含量为0.15wt％MgO，0.5wt％正硅酸四乙酯；
[0030]优选地，所述获得金属掺杂的TSAG粉料的过程中的原料中还含有助剂II；
[0031]所述助剂II选自正硅酸四乙酯和/或氧化镁；
[0032]所述助剂II在所述金属掺杂的TSAG粉料中的质量含量为0.1～2wt％；所述助剂II在所述金属掺杂的TSAG粉料中的质量含量的上限为2wt％、1.5wt％、1wt％、0.5wt％；下限为0.1wt％、0.5wt％、1wt％、1.5wt％；
[0033]可选地，所述助剂II中所述氧化镁和正硅酸四乙酯的质量比为1:1～1:4；
[0034]可选地，所述助剂II在所述金属掺杂的TSAG粉料中的质量含量为0.3wt％MgO，0.5wt％正硅酸四乙酯。
[0035]所述球磨I和球磨II的过程包括以下步骤：
[0036]将所述原料与无水乙醇混合，以玛瑙球为球磨介质进行球磨；
[0037]所述原料与玛瑙球的质量比为1:3～1:5；
[0038]所述原料与所述无水乙醇的质量比为1:1～1:2之间；
[0039]所述玛瑙球尺寸与质量比为1:3～1:5之间；
[0040]所述原料与玛瑙球的总填充量60％～80％；
[0041]所述球磨的速度为170rpm～220rpm；
[0042]所述球磨的时间为24～48h。
[0043]所述YAG粉料和所述金属掺杂的TSAG粉料还通过200目筛进行过筛。
[0044]所述压制成型I和所述压制成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合陶瓷材料，其特征在于，所述复合陶瓷材料包括两层YAG层和夹在所述两层YAG层之间的金属掺杂的TSAG层；所述YAG层的分子式为Y3Al5O
12
；所述金属掺杂的TSAG层的分子式为Tb3‑
x
Re
x
Sc2Al3O
12
；其中，所述Re选自Ce、Pr、Ho、Dy、Eu、Yb、Er、Gd、Ga、Lu、Tm、Fe、Nd或La中的至少一种；x的取值在0～1之间。2.根据权利要求1所述的复合陶瓷材料，其特征在于，所述YAG层的厚度为1～2mm；所述金属掺杂的TSAG层的厚度为2mm；所述复合陶瓷材料为石榴石结构。3.一种权利要求1～2任一项所述的复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：(1)分别获得YAG粉料和金属掺杂的TSAG粉料；(2)在模具中对(1)中得到的YAG粉料压制成型I，再加入(1)中得到的所述稀土掺杂的TSAG粉料压制成型II，最后再加入(1)中得到的YAG粉料压制成型III，得到素坯，对所述素坯进行后处理，得到所述复合陶瓷材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述获得YAG粉料的过程包括以下步骤：将含有Y的氧化物和Al的氧化物的原料球磨I，干燥，得到所述YAG粉料；所述Y的氧化物和Al的氧化物的摩尔比满足权利要求1中所述YAG层的分子式；所述获得金属掺杂的TSAG粉料的过程包括以下步骤：将含有Tb的氧化物、Re的氧化物、Sc的氧化物和Al的氧化物的原料球磨II，干燥，得到所述稀土掺杂的TSAG粉料；所述Tb的氧化物、Re的氧化物、Sc的氧化物和Al的氧化物的摩尔比满足权利要求1中所述稀土掺杂的TSAG层的分子式。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述获得YAG粉料的过程中的原料中还含有助剂I；所述获得YAG粉料的过程中的原料中还含有助剂I；所述助剂I在所述YAG粉料中的质量含量为0.1～2wt％；可选地，所述助剂I中所述氧化镁和正硅酸四乙酯的质量比为1:1～1:4...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴少凡，吴以恒，王帅华，黄鑫，郑熠，徐刘伟，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：