[發明專利]一種Mg助劑體系YAG基透明陶瓷的制備方法

在審

• 申請號: 201710428544.1
• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107129293A
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 張樂;邵岑;周天元;孫炳恒;高光珍;王騁;陳浩
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: C04B35/44
• 分類號: C04B35/44;C04B35/64
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明屬于先進陶瓷制備領域，涉及一種Mg助劑體系YAG基透明陶瓷的制備方法，具體涉及一種在非退火機制下基于少量Mg單助劑體真空燒結制備釔鋁石榴石(Y₃Al₅O₁₂,YAG)基透明陶瓷的方法。

背景技術

固體激光器以其峰值功率高、效率高、壽命長、安全可靠等優點，在激光器應用領域中已處于主導地位，在國防軍工、工業加工、和科研等領域應用廣泛。目前歐、美等發達國家以國家之力大力支持發展固體激光技術，我國在《國家中長期科學與技術發展綱要(2006－2020年)》也將其列入8大前沿技術之中。固體激光器的核心部件是增益介質，其對激光輸出性能的好壞起著決定性的作用，因此，對固體激光器增益介質進行深入研究具有十分重要的意義。目前固體激光器增益介質主要為單晶材料，然其具有成本高、生產周期長、工藝復雜、難以實現高濃度及均勻摻雜和大尺寸制備等缺陷，難以滿足日新月異的激光技術發展的需求。

透明陶瓷作為一種全新的固體激光材料，其無論是制備技術還是材料性能等方面都具有傳統單晶材料和玻璃材料無可比擬的優勢，能夠完全克服單晶材料的缺陷，發展極為迅速，已經成為激光材料研究的熱點和重點，被認為是繼單晶材料之后的下一代激光材料。目前，各種稀土離子摻雜激光透明陶瓷材料層出不窮，如釔鋁石榴石(Y₃Al₅O₁₂，YAG)、倍半氧化物、尖晶石、氟化物等體系，各種陶瓷基激光輸出也相繼被報導，并已經在許多重要領域中獲得初步應用，其取代單晶成為下一代激光增益介質正逐步成為現實。在所有的透明陶瓷材料體系中，YAG基透明陶瓷以其易于制備和良好的物理化學性能等優勢，是激光材料研究領域的熱點和重點，目前已經成為研究成果最為豐碩、應用最為廣泛的的透明陶瓷材料體系，發展前景十分廣闊。

在YAG透明陶瓷的制備方面，完全致密化是實現YAG透明陶瓷良好光學質量的基本要求。因此為了進一步提升YAG透明陶瓷的最終光學質量，通常會引入燒結添加劑，即燒結助劑。燒結助劑的目的是進一步促進陶瓷的致密化，同時能夠減少散射源(例如孔隙)的數目，并能夠在燒結過程中阻止晶界的快速遷移，抑制晶內氣孔的形成，有利于獲得晶粒細小，分布均勻且完全致密的陶瓷顯微結構，提升其光學性能。

眾所周知，正硅酸乙酯(TEOS)是制備YAG透明陶瓷最常用的燒結助劑。這是因為高溫下TEOS受熱分解生成SiO₂，其會與YAG基質反應生成液相，使擴散機制由固相擴散轉變為液相擴散，其能夠在降低燒結溫度的同時大幅提升擴散速率，有利于促進透明陶瓷的致密化。然而，采用TEOS助劑制備的YAG透明陶瓷晶粒尺寸普遍偏大，這樣既不利于陶瓷的機械性能，也容易造成難以排除的晶內氣孔。

Mg助劑相對于TEOS助劑，因為Mg²⁺的離子半徑與YAG晶格中六配位Al³⁺離子半徑相近，具有較高的固溶度，因此其能夠有效地通過空位機制，提升擴散系數，有利于陶瓷在燒結過程中氣孔的排除，提升其光學質量，降低散射損耗。此外，Mg以其+2價態性質，有利于促進一些特定摻雜原子的高價態轉化(如Cr³⁺→Cr⁴⁺,Yb²⁺→Yb³⁺)Mg助劑能夠在相對較低的燒結溫度(低于1660℃)促進YAG透明陶瓷的致密化，并能夠在燒結溫度1540℃和1660℃之間促進晶粒生長。在較低的致密化溫度下，能夠有效地擴大致密化溫度區間，促進陶瓷的燒結和致密化，有利于進一步排除散射中心，結合非退火機制，能夠有效地降低散射損耗，獲得致密度高，光學性能優異的YAG透明陶瓷。另外Mg助劑相對于Ca助劑，由于Ca助劑在YAG晶格中的固溶度只有300～400ppm，因此容易造成偏析，加劇光學損耗。