專利名稱：釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種釔鋁石榴石(YAG)和氧化釔(Y203)雙晶相透明陶 瓷及其制備方法，屬于激光陶瓷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Nd:YAG單晶是目前性能最好，產(chǎn)量最大，用途最廣的激光基質(zhì)材料。 但提拉法生長單晶由于其生長周期長、價格昂貴、尺寸小、摻雜濃度低，使 其性能和應用范圍受到限制。多年來材料科學工作者試圖用玻璃、多晶陶瓷 作為激光工作物質(zhì)來替代單晶。玻璃雖然很容易做到大尺寸，但其熱導卻比 單晶低一個數(shù)量級，極大的限制了其應用范圍。由于陶瓷材料的氣孔、雜質(zhì)、 晶界、基體結(jié)構(gòu)對光的散射和吸收，長時期以來，人們認為陶瓷均為非透明。 透明陶瓷激光材料在初期由于激光性能遠不及激光晶體而沒有得到關(guān)注，直 妾lj 1995年的Ikesue[A.Ikesue, T. kinoshita, and K. Kamata， Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers, J, Am. Ceramic. Soc.， 1995， 78(4), 1033.]等制備出高透明的 Nd^YAG陶瓷，用LD端泵浦首次獲得了激光輸出。此后，透明陶瓷材料 由于在制備技術(shù)和材料性能等方面具有單晶、玻璃激光材料無可比擬的優(yōu)勢 而受到了人們極大的關(guān)注，并得到了迅速的發(fā)展。1999年神島化學公司T. Yanagitani[T. Yanagitani, H. Yagi, and M. Ichikawa, Japanese patent, 1998, 10-101333; T. Yanagitani, H. Yagi， and Y. Hiro, Japanese patent, 1998， 10-101411.]研究小組采用納米技術(shù)和真空燒結(jié)方法制備了高質(zhì)量的Nd3 ,YAG透明陶瓷，其吸收、發(fā)射和熒光壽命等光學特性與單晶幾乎一致。
2000年，神島化學公司和日本電氣通信大學的K. Ueda研究小組[J. Lu,M Prabhu， and J. Xu,. Highly efficient 2% Nd: yttrium aluminum garnet ceramic laser, Appl. Phys. Lett., 2000, 77 (23)， 3707-3709.]—起首次用這種方法實現(xiàn)了
高效激光輸出?；谶@一技術(shù)，日本的神島化學公司、日本電氣通信大學、 俄羅斯科學院的晶體研究所等聯(lián)合開發(fā)出一系列二極管泵浦的高功率和高 效率固體激光器，激光輸出功率從31W提高到72W、 88W和1.46KW，光 一光轉(zhuǎn)化效率從14.5%提高到28.8%、 30°/。和42%。自Nd3+:YAG透明陶瓷 在1995年首次獲得激光輸出至今，該方面的工作取得了令人矚目的進展。 在德國慕尼黑舉行的關(guān)于高功率固體激光器的CLEO Focus 2001會議上，日 本電氣通信大學的Ueda教授指出，采用更大尺寸的Nd3+:YAG透明陶瓷材 料和更大的泵浦功率，有望獲得100kW級的激光輸出。
激光陶瓷材料能夠快速制造，且可批量制備。同時陶瓷介質(zhì)提供了激光 器設計的靈活性，可以調(diào)整陶瓷的物理、化學特性以及結(jié)構(gòu)，有可能得到常 規(guī)激光器不具備的特性。獲得具有高熱導率和光學質(zhì)量的大塊激光增益介質(zhì) 是至關(guān)重要的。同單晶相比，透明陶瓷具有以下優(yōu)勢(l)容易制備出大尺 寸的激光透明陶瓷，且形狀容易控制；(2)制備周期短，生產(chǎn)成本低；(3) 可以實現(xiàn)高濃度摻雜，光學均勻性好；(4)可制備出多層和多功能復合結(jié)構(gòu)。 同激光玻璃材料(以釹玻璃為例)相比，透明陶瓷激光材料(以Nd3+:YAG 透明陶瓷為例)的熱導率高，有利于熱量的散發(fā)，具有較高的抗熱破壞能力； 熔點高，可以承受更高的輻射功率；單色性好；可以實現(xiàn)連續(xù)的激光輸出。
自2000年Nd3+:YAG激光透明陶瓷開發(fā)成功以后，日本的神島化學公 司又采用相似的技術(shù)制備出￥203基透明陶瓷，并在低于其熔點約700QC的 燒結(jié)溫度下獲得高光學質(zhì)量的透明陶瓷塊體。2001年，J. Lu[J. R. lu, J. H. Lu, and T. Murai， Nd3+:Y203 ceramic laser, Jpn. J. Appl. Phys， 2001, 40, L1277-L1279.]等首次報道了 LD泵浦條件下Nd3+:Y203基透明陶瓷的激光輸 出。作為固體激光介質(zhì)，熱導率是一個非常重要的因素，尤其是在大功率連 續(xù)激光輸出的條件下，更加需要高的熱導率和熔點。YAG的熱導率為 14W/m'K，僅為Y203 (27W/m'K)的一半[L. Laversenne, G. Boulon， and YGuyot, Opt. Mater., 2001, 16， 475.]， YAG的熔點為1950°C，低于Y203 (2430 士3(TC)的熔點。因此制備YAG和Y203雙晶相透明陶瓷可適用于激光和發(fā) 光領(lǐng)域作為基質(zhì)材料，從而可以充分利用YAG和Y203兩種材料的優(yōu)點，進 一步拓寬兩者的應用范圍，為稀土離子(Nd3+、 Yb3+、 Er3+、 Dy3+、 Ho3+、 Tm3+、 Ce3+、 Tb3+、 Ei^+等)單種慘雜或共摻雜以及微結(jié)構(gòu)和宏觀物性調(diào)控 奠定了基礎。
自專禾U JP05-235462[A. Ikesue, and Toshiyuki. K， Japanese paent， 1993, 05-033565.]發(fā)表以來，制備YAG透明陶瓷都選取丫203和A1203的摩爾配比 為3:5。在制備YAG和￥203雙晶相透明陶瓷過程中，直接采用八1203和Y203 作為起始原料，在一定范圍內(nèi)適當改變"203和￥203之間的摩爾配比，也可 以制備出YAG和Y203雙晶相透明陶瓷，從而更加簡化了制備YAG和Y203 雙晶相透明陶瓷的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷及其 制備方法，所述的雙晶透明陶瓷是釔鋁石榴石(YAG)和氧化釔(Y203)雙 晶相透明陶瓷，釔鋁石榴石(YAG)和氧化釔(Y203)的質(zhì)量百分含量為 60—99.99%、 丫20340 — 0.01%組成的。
① 釔鋁石榴石(YAG)和氧化釔(Y203)雙晶相透明陶瓷的組分的優(yōu) 先質(zhì)量百分含量為釔鋁石榴石(YAG), 85%—99.99%和氧化釔(丫203)， 15% 一0.01%范圍之間，外加正硅酸已酯(TEOS) 0.01 5.0wt。/。作為燒結(jié)助劑。
② 且在所述釔鋁石榴石(YAG)和氧化釔(Y203)雙晶相透明陶瓷中， 可以添加Nd"、 Yb3+、 Er3+、 Dy3+、 Ho3+、 Tm3+、 Ce3+、 Tb3+、 Eu3+等一種 或幾種不同的稀土離子，制成單摻雜稀土離子或共摻雜稀土離子的YAG和 ￥203雙晶相光功能透明陶瓷或熒光粉。
所述的釔鋁石榴石(YAG)和氧化釔(Y203)雙晶相透明陶瓷的制備方法，包含有粉體混和、加壓、燒結(jié)、平面磨制、拋光，其特征在于該方法包 括以下各步驟
1) 初始原料可采用YAG和Y203 (或者直接使用￥203和A1203)，外 加0.01~5.0wt%TEOS，與八1203磨球和無水乙醇一起放入球磨罐中進行球磨 混合，YAG和Y203之間的質(zhì)量百分比為YAG: Y2O3=(60—99.99%):(40— 0.01%)，或85%-99.99% : 15%-0.01%球磨時間為2h 20h;
2) 濕法球磨后的混和漿料經(jīng)干燥后，在干燥箱中60 12(TC溫度下干燥， 干燥后的粉體過100 250目篩；
3) 干燥后的粉體成型，再冷等靜壓，壓力為2T/n^燒結(jié)溫度為1650 1850°C，保溫時間為lh 50h;
4) 得到的陶瓷塊體，經(jīng)過平面磨制、拋光即得到本發(fā)明的YAG透明陶 瓷材料，其透光率最高可達81%以上。
所述釔鋁石榴石(YAG)和氧化釔(Y203)雙晶相透明陶瓷的制備方法， 步驟(1)中，八1203粉體平均粒徑50nm~10|im， Y203粉體平均粒徑 50nm 20fim，磨球直徑為2~100mm。
所述釔鋁石榴石(YAG)透明陶瓷的制備方法，步驟(4)中，陶瓷樣 品拋光后，樣品的厚度為0.2-100mm。
依本發(fā)明提供的組成及制備方法，燒結(jié)2mm厚度的雙晶相透明陶瓷在 400-1100nm波段透過率最多可達81%以上，適用于激光和發(fā)光領(lǐng)域作為基 質(zhì)材料。
用本發(fā)明所闡述的工藝制備出可適用于激光和發(fā)光領(lǐng)域作為基質(zhì)材料 YAG和氧化釔Y203雙晶相透明陶瓷，可以充分結(jié)合YAG和Y203兩種基質(zhì) 材料的優(yōu)點，進一步拓寬兩者的應用范圍，為稀土離子(Nd3+、 Yb3+、 Er3+、 Dy3+、 Ho3+、 Tm3+、 Ce3+、 Tb3+、 E^+等)單種摻雜或共摻雜以及微結(jié)構(gòu)和 宏觀物性調(diào)控奠定了基礎。


圖1.實施例1所得樣品的透光率與波長的關(guān)系曲線。
圖2.實施例2所得樣品的透光率與波長的關(guān)系曲線。 圖3.實施例3所得樣品的透光率與波長的關(guān)系曲線。 圖4.實施例4所得樣品的透光率與波長的關(guān)系曲線。 圖5.實施例5所得樣品的透光率與波長的關(guān)系曲線。 圖6.實施例1所得樣品的X射線衍射圖譜。 圖7.實施例3所得樣品的X射線衍射圖譜。
圖8.實施例l，實施例2，實施例3，實施例4，(依次從左向右排列) 所得透明陶瓷片(2mm)實物照片。
具體實施方式
實施例1 :
?。?03和Ab03粉體，摩爾比為0.6005,氧化鋁球為磨球，以無水乙醇 為溶劑，正硅酸乙酯為燒結(jié)助劑， 一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時間為6h， 然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在80QC烘干，干燥后的漿料過 篩，采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成20士5mm圓塊狀，預壓好的圓片再 冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1700士5()Gc保溫50h，將燒結(jié)好的YAG陶瓷 平面磨制、拋光，其透光率為63.43%。
實施例2:
?。?03和Al203粉體，摩爾比為0.6270，氧化鋁球為磨球，以無水乙醇 為溶劑，正硅酸乙酯為燒結(jié)助劑， 一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時間為12h， 然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在80QC烘干，干燥后的槳料過 篩，采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成20土5mm圓塊狀，預壓好的圓片再 冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1710土50Gc保溫15h，將燒結(jié)好的YAG陶瓷 平面磨制、拋光，其透光率為63.88%。
實施例3:
取YAG和Y203，其質(zhì)量比為95: 5，氧化鋁球為磨球，以無水乙醇為溶劑，正硅酸乙酯為燒結(jié)助劑， 一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時間為20h，
然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在8(^C烘干，干燥后的漿料過 篩，采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成20土5mm圓塊狀，預壓好的圓片再 冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1700土4()Gc保溫15h，將燒結(jié)好的YAG陶瓷 平面磨制、拋光，其透光率為81.74%。 實施例4:
取YAG和Y203，其質(zhì)量比為97.5: 2.5，氧化鋁球為磨球，以無水乙醇 為溶劑，正硅酸乙酯為燒結(jié)助劑，一起放入氧化鋁罐中球磨，球磨時間為15h， 然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在80QC烘干，干燥后的漿料過 篩，采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成20士5mm圓塊狀，預壓好的圓片再 冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1770±50QC保溫10h，將燒結(jié)好的YAG陶瓷 平面磨制、拋光，其透光率為56.89%。
實施例5:
取YAG和Y203，其質(zhì)量比為95: 5，加入lwt^的Nd203，氧化鋁球為 磨球，以無水乙醇為溶劑，正硅酸乙酯為燒結(jié)助劑， 一起放入氧化鋁罐中球 磨，球磨時間為20h，然后將漿料和磨球分離，漿料放入干燥箱中在80QC 烘干，干燥后的漿料過篩，采用軸向單向加壓方式將粉體壓制成20土5mm圓 塊狀，預壓好的圓片再冷等靜壓，在真空燒結(jié)爐中于1750士50Gc保溫10h， 平面磨制、拋光，制備出Nd"摻雜的YAG(95wtM):Y203(5wfM))雙晶相透明 陶瓷，其透光率為65.75%。
權(quán)利要求
1、 一種釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷，其特征在于釔鋁石榴石的質(zhì)量百分含量為60％-99.99％，氧化釔的質(zhì)量百分含量為40％-0.01％。
2、 按權(quán)利要求1所述的釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷，其特征 在于所述的釔鋁石榴石的質(zhì)量百分含量為85%-99.99%，氧化釔的質(zhì)量百分 含量為15%-0.01°/o.
3、 按權(quán)利要求1或2所述的釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷，其 特征在于所述的雙晶相透明陶瓷中，添加Nd"、 Yb3+、 Er3+、 Dy3+、 Ho3+、 Tm3+、 Ce3+、 TV+或Ei^+中一種或幾種稀土離子，形成單摻雜或共摻雜稀土 離子的YAG和Y203的雙晶相透明陶瓷。
4、 制備如權(quán)利要求1或2所述的釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷 的方法，包括粉體混和、成型、燒結(jié)和后加工過程，其特征在于制備步驟為① 采用YAG和￥203或八1203和￥203為起始粉體，按組分稱料，并 外加質(zhì)量百分數(shù)為0.01%-5%的正硅酸乙酯，與Al203磨球和無水乙醇一起放 入球磨罐混和2-20h， YAG和丫203之間組分質(zhì)量百分含量比為60%-99.99%:40%-0.01%或85%-99.99% : 15%-0.01%;② 球磨后于60-12(TC干燥，干燥后的復合粉體過100-250目篩；③ 干燥后的復合粉體成型，再冷等靜壓，壓力為2T/cmS 最后成型坯體于1650-1850。C燒結(jié)；⑤步驟④所制得的燒結(jié)體經(jīng)平面磨削、拋光制成雙晶相透明陶瓷。
5、 按權(quán)利要求4所述的釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷的制備方 法，其特征在于作為起始料使用的Al2O3粉體平均粒徑為50nm-10^im; Y203 粉體的平均粒徑為50nm-20|im。
6、 按權(quán)利要求4所述的釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷的制備方 法，其特征在于燒結(jié)時保溫時間為l-50h。
7、 按權(quán)利要求4所述的釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷的制備方 法，其特征在于制備的樣品拋光后的厚度為0.2-100mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種釔鋁石榴石和氧化釔雙晶相透明陶瓷及制備方法。其特征在于可在釔鋁石榴石和氧化釔的質(zhì)量百分含量為(60％-99.99％)、Y₂O₃(40-0.01％)范圍之間制備YAG和Y₂O₃雙晶相透明陶瓷。制備雙晶透明陶瓷主要分為兩個階段(1)用YAG和Y₂O₃(或者直接用Al₂O₃和Y₂O₃)，與球磨介質(zhì)、磨球、燒結(jié)助劑(外加0.01～5.0wt％)進行混和，漿料干燥，制備成復合粉體過篩；(2)復合粉體用干壓、加冷等靜壓成型；以及無壓燒結(jié)燒結(jié)溫度為1650℃～1850℃，保溫時間為1h～50h。2mm厚的雙晶相透明陶瓷在400-1100nm波段透過率最高可達到81％以上。本發(fā)明方法原料來源廣泛，工藝簡單，便于控制。所提供的雙晶相透明陶瓷適用于激光和發(fā)光領(lǐng)域作為基質(zhì)材料。
文檔編號C04B35/622GK101284733SQ20071003933
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月10日
發(fā)明者劉文斌, 吳玉松, 江 李, 潘裕柏, 郭景坤 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所