專(zhuān)利名稱(chēng)：雙摻雜稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙摻雜稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料及制備方法，屬于先
進(jìn)陶瓷制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光是20世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，激光技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域。自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器發(fā)明以來(lái)，大量新型激光材料不斷涌現(xiàn)，人們開(kāi)始對(duì)激光工作物質(zhì)進(jìn)行廣泛深入的研究與探索。 1964年以來(lái)，摻Nd的YAG晶體的出現(xiàn)，作為大功率固體激光材料受到廣泛的關(guān)注。但是摻Nd的YAG晶體由于單晶的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、晶體生長(zhǎng)尺寸、Nd離子摻雜量等缺點(diǎn)制約了其更廣泛的應(yīng)用。隨著大功率固體激光器功率的不斷提高，人們期待著新的激光材料的出現(xiàn)。1995年，日本A. Ikesue等人制得了完全致密并且光學(xué)性能優(yōu)良的多晶Nd:YAG透明陶瓷材料，并獲得激光輸出。隨后幾年，尤其是在2000以后，Nd:YAG透明陶瓷得到了迅猛發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了67KW的最高功率輸出，引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。隨著粉體和陶瓷制備科學(xué)與工藝的不斷突破，多晶透明陶瓷成為最有競(jìng)爭(zhēng)力取代單晶的激光材料。
除了 Nd摻雜YAG透明陶瓷外，Yb摻雜也受到了關(guān)注。Yb3+具有最簡(jiǎn)單的能級(jí)結(jié)構(gòu)，與Nd3+相比，本征量子缺陷低，輻射量子效率高，能級(jí)壽命長(zhǎng)，吸收和發(fā)射光譜寬。隨著體積小、壽命長(zhǎng)、效率高的LD泵浦源的出現(xiàn)，Yb3+作為激光激活離子的研究迅猛發(fā)展。特別是Yb3+的主要吸收峰位于0. 9 1. 0 ii m，能與高亮度的InGaAs激光二極管泵浦源有效耦合，且不需要嚴(yán)格的溫度控制。同時(shí)Yb"也是一種高效率的敏化離子，敏化離子可以吸收更多的光泵能量，并轉(zhuǎn)移給激活離子，擴(kuò)大和強(qiáng)化激活離子的吸收光譜，使原來(lái)不被激活離子吸收的光泵能量通過(guò)敏化離子的作用得到利用。Yb"可以用作多種激光激活離子的泵浦能量吸收敏化劑，如Nd3+等。由于980nm左右的LD非常普遍，所以用Yb3+進(jìn)行敏化具有更實(shí)際的意義，可以達(dá)到提高對(duì)泵浦光的吸收效率和降低激光振蕩閾值的目的。目前還沒(méi)有雙摻Y(jié)b， Nd稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)的目的是為了進(jìn)一步彌補(bǔ)、改進(jìn)單摻雜稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料的不足而提供了一種雙摻雜Yb， Nd稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料，本發(fā)明的另一目的是提供上述材料的制備方法，通過(guò)稀土離子Yb的摻雜，可以提高Nd:YAG透明陶瓷對(duì)泵浦光的吸收效率，并且能降低激光振蕩閾值，具有實(shí)際的應(yīng)用意義。 本發(fā)明的技術(shù)方案為雙摻雜稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料，其特征在于所述的透明陶瓷材料化學(xué)組成通式為(Y卜x—yYb，dy)3A1^2，其中0.01《x《0. 1，0. 005《y《0. 05。
本發(fā)明還提供了上述釔鋁石榴石透明陶瓷材料的方法，其具體步驟如下 (1)根據(jù)化學(xué)組成通式將Y203， A1203， Yb203和Nd203粉體進(jìn)行稱(chēng)料配比，加入占總的粉體質(zhì)量0. 5 0. 8%的燒結(jié)助劑，球磨混合均勻后烘干過(guò)篩； (2)粉體采用先干壓再冷等靜壓工藝成型，其中干壓壓力為10 20MPa，冷等靜壓 壓力為200 300MPa ; (3)成型的素坯進(jìn)行燒結(jié)，控制燒結(jié)溫度為1700 180(TC，保溫時(shí)間為5 50h ;
(4)燒結(jié)后的樣品退火處理，制備得到雙摻雜稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材 料。優(yōu)選所述的Y203， A1203， Yb203和Nd203粉體的純度為99. 9% 99. 999% 。上述的步驟 (1)中篩子目數(shù)為160 200目。 所述的燒結(jié)助劑至少為正硅酸乙酯、氧化鎂或氟化鈣中的一種。 優(yōu)選步驟(3)中成型的素坯在氫氣氣氛或10—3 10—4Pa的真空中燒結(jié)；步驟(4)
中燒結(jié)后的樣品在空氣中1300 155(TC下退火處理2 20h。 有益效果 (1)在摻Nd的YAG透明陶瓷基礎(chǔ)上雙摻雜Yb， Nd稀土元素，Yb3+是一種高效率的 敏化離子，敏化離子可以吸收更多的光泵能量，并轉(zhuǎn)移給激活離子Nd3+，擴(kuò)大和強(qiáng)化激活離 子的吸收光譜，使原來(lái)不被激活離子吸收的光泵能量通過(guò)敏化離子的作用得到利用。提高 材料的吸收效率正是激光材料所需要的，這為其成為大功率固體激光材料奠定了基礎(chǔ)。
(2)通過(guò)優(yōu)化的工藝，制備出高透過(guò)率的雙摻雜稀土離子的YAG透明陶瓷材料，其 最高透過(guò)率達(dá)到76%。說(shuō)明本專(zhuān)利提供的方法可以制備出高透過(guò)率的透明陶瓷材料。同時(shí) 具有高透過(guò)率的透明陶瓷，可以有效減小光學(xué)的損耗。


圖1實(shí)施例3所制備的Yb， Nd:YAG透明陶瓷的表面腐蝕電鏡照片。
圖2實(shí)施例3所制備的Yb， Nd:YAG透明陶瓷的斷面形貌。
圖3實(shí)施例5所制備的Yb， Nd: YAG陶瓷XRD圖譜。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 稱(chēng)取10. 1961g純度為99. 99%的a -A1203粉體，13. 2099g純度為99. 99%的Y203 粉體，O. 4729g純度為99. 99%的丫13203粉體和0. 1009g純度為99. 99X的N403粉體，將粉體 放入尼龍球磨罐中，并加入10(^八1203磨球，128分析純的無(wú)水乙醇，0. 19g分析純的TE0S，然 后球磨12小時(shí)。將球磨后的漿料烘干后研磨過(guò)200目篩。將上述粉體先在不銹鋼模具中以 15MPa壓力初步成型，然后經(jīng)過(guò)200MPa冷等靜壓壓成素坯。將素坯置于真空度10—3 10—4Pa 的真空爐中于170(TC燒結(jié)6小時(shí)，燒結(jié)后的樣品在空氣中145(TC退火處理20小時(shí)。最后將 退火后的樣品雙面打磨拋光至lmm厚。燒結(jié)得到雙摻雜Yb， Nd的(Y。.975Yb。.。2Nd。.。。5)3A15012 透明陶瓷，樣品的相對(duì)密度大于99 % ，透過(guò)率為76 % 。
實(shí)施例2 稱(chēng)取10. 1961g純度為99. 99%的a -A1203粉體，12. 7357g純度為99. 99%的Y203 粉體，1. 1822g純度為99. 99 %的Yb203粉體和0. 2019g純度為99. 99 %的Nd203粉體，將粉體 放入尼龍球磨罐中，并加入100gAl203磨球，12g分析純的無(wú)水乙醇，O. 2g分析純的TEOS，然 后球磨12小時(shí)。將球磨后的漿料烘干后研磨過(guò)200目篩。將上述粉體先在不銹鋼模具中以15MPa壓力初步成型，然后經(jīng)過(guò)200MPa冷等靜壓壓成素坯。將素坯置于真空度10—3 10—4Pa 的真空爐中于172(TC燒結(jié)12小時(shí)，燒結(jié)后的樣品在空氣中145(TC退火處理10小時(shí)。最后 將退火后的樣品雙面打磨拋光至lmm厚。燒結(jié)得到雙摻雜Yb，Nd的(Y^Yb^Nd^)3A15012 透明陶瓷，樣品相對(duì)密度大于99%，透過(guò)率為75%，平均晶粒尺寸為20iim。
實(shí)施例3 稱(chēng)取10. 1961g純度為99. 99%的a -A1203粉體，11. 5163g純度為99. 99%的Y203 粉體，2. 3645g純度為99. 99%的丫13203粉體和1. 0094g純度為99. 99%的配203粉體，將粉體 放入尼龍球磨罐中，并加入100gAl203磨球，12g分析純的無(wú)水乙醇，O. 2g分析純的TEOS，然 后球磨12小時(shí)。將球磨后的漿料烘干后研磨過(guò)200目篩。將上述粉體先在不銹鋼模具中以 15MPa壓力初步成型，然后經(jīng)過(guò)200MPa冷等靜壓壓成素坯。將素坯置于真空度10—3 10—4Pa 的真空爐中于175(TC燒結(jié)6小時(shí)，燒結(jié)后的樣品在空氣中145(TC退火處理10小時(shí)。最后 將退火后的樣品雙面打磨拋光至lmm厚。燒結(jié)得到雙摻雜Yb，Nd的(Y。.85Yb。.^d。.J3A15012 透明陶瓷，樣品相對(duì)密度大于99%，透過(guò)率為76%。本發(fā)明所制備的Yb， Nd:YAG透明陶瓷 的表面腐蝕電鏡照片如圖1所示，本發(fā)明所制備的Yb， Nd:YAG透明陶瓷斷面形貌如圖2所 示。從圖上可以看到樣品基本上沒(méi)有明顯的氣孔，陶瓷斷面均是穿晶斷裂，晶界干凈，無(wú)晶 界相。 實(shí)施例4 將稀土氧化物12. 73578的丫203粉體，1. 1822g的YbA粉體和0. 2019g的配203粉體 溶解在硝酸中，并加入75. 026g分析純的Al (N03) 3 *9H20，將混合鹽溶液加水稀釋至1333ml 。 取80ml濃氨水并加入252. 992g碳酸氫銨配成復(fù)合沉淀劑，其中碳酸氫銨濃度為2mol/L， 將沉淀劑稀釋至1600ml。將混合均勻的鹽溶液以3ml/min的速度滴加到劇烈攪拌的沉淀 劑中，生成白色膠狀沉淀。將沉淀用去離子水、無(wú)水乙醇及丙酮洗滌后，在8(TC烘箱中干燥 24h，得到前驅(qū)體。將前驅(qū)體在120(TC煅燒2小時(shí)得到稀土摻雜的YAG粉體。將煅燒過(guò)的粉 體放入尼龍球磨罐中，并加入10(^八1203磨球，168分析純的無(wú)水乙醇，0. 12g分析純的TE0S， 然后球磨12小時(shí)。將球磨后的漿料烘干后研磨過(guò)200目篩。將上述粉體先在不銹鋼模具中 以15MPa初步成型，然后經(jīng)過(guò)200MPa冷等靜壓壓成素坯。將素坯置于真空度10—3 10—4Pa 的真空爐中于175(TC燒結(jié)6小時(shí)，燒結(jié)后的樣品在空氣中155(TC退火處理2小時(shí)。最后將 退火后的樣品雙面打磨拋光至lmm厚。燒結(jié)得到雙摻雜Yb，Nd的(Y^Yb^NU 3A15012透 明陶瓷，樣品相對(duì)密度大于99%，透過(guò)率為73%。
實(shí)施例5 將稀土氧化物11. 5163g的丫203粉體，2. 3645g的丫13203粉體和1. 0094g的配203粉體 溶解在硝酸中，并加入75. 026g分析純的Al (N03) 3 *9H20，將混合鹽溶液加水稀釋至1333ml 。 取120ml濃氨水并加入252. 992g碳酸氫銨配成復(fù)合沉淀劑，其中碳酸氫銨濃度為2mol/L， 將沉淀劑稀釋至1600ml。將混合均勻的鹽溶液以3ml/min的速度滴加到劇烈攪拌的沉淀 劑中，生成白色膠狀沉淀。將沉淀用去離子水、無(wú)水乙醇及丙酮洗滌后，在8(TC烘箱中干燥 24h，得到前驅(qū)體。將前驅(qū)體在120(TC煅燒2小時(shí)得到稀土摻雜的YAG粉體。將煅燒過(guò)的粉 體放入尼龍球磨罐中，并加入10(^八1203磨球，168分析純的無(wú)水乙醇，0. 12g分析純的TE0S， 然后球磨12小時(shí)。將球磨后的漿料烘干后研磨過(guò)200目篩。將上述粉體先在不銹鋼模具中 以15MPa初步成型，然后經(jīng)過(guò)200MPa冷等靜壓壓成素坯。將素坯置于真空度10—3 10—4Pa的真空爐中于178(TC燒結(jié)6小時(shí)，燒結(jié)后的樣品在空氣中155(TC退火處理2小時(shí)。最后將退火后的樣品雙面打磨拋光至lmm厚。燒結(jié)得到雙摻雜Yb， Nd的(Y。.85Yb。. ^d。.J 3A15012透明陶瓷，樣品相對(duì)密度大于99%，透過(guò)率為75%。本發(fā)明所制備的Yb， Nd:YAG陶瓷XRD圖譜如圖3所示。從圖可以看出樣品是純的YAG相，沒(méi)有其它雜相峰。
權(quán)利要求
雙摻雜稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料，其特征在于所述的透明陶瓷材料化學(xué)組成通式為(Y1-x-yYbxNdy)3Al5O12，其中0.01≤x≤0.1，0.005≤y≤0.05。
2. —種制備如權(quán)利要求1所述的釔鋁石榴石透明陶瓷材料的方法，其具體步驟如下 (1) 根據(jù)化學(xué)組成通式將Y203， A1203， YbA和NdA粉體進(jìn)行稱(chēng)料配比，加入占總的粉體質(zhì)量0. 5 0. 8%的燒結(jié)助劑，球磨混合均勻后烘干過(guò)篩；(2) 粉體采用先干壓再冷等靜壓工藝成型，其中干壓壓力為10 20MPa，冷等靜壓壓力為200 300MPa ;(3) 成型的素坯進(jìn)行燒結(jié)，控制燒結(jié)溫度為1700 180(TC，保溫時(shí)間為5 50h ;(4) 燒結(jié)后的樣品退火處理，制備得到雙摻雜稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于于所述的Y203， A1203， Yb203和Nd203粉體的純度為99. 9% 99. 999%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的步驟(1)中篩子目數(shù)為160 200目。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的燒結(jié)助劑至少為正硅酸乙酯、氧化鎂或氟化鈣中的一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(3)中成型的素坯在氫氣氣氛或10—3 10—4pa的真空中燒結(jié)；步驟(4)中燒結(jié)后的樣品在空氣中1300 155(TC下退火處理2 20h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙摻雜稀土離子的釔鋁石榴石透明陶瓷材料及制備方法，其特征在于透明陶瓷材料的化學(xué)組成通式為(Y1-x-yYbxNdy)3Al5O12，其中0.01≤x≤0.1，0.005≤y≤0.05。根據(jù)組成通式進(jìn)行稱(chēng)量配料，原料采用商業(yè)的高純粉體或共沉淀法制備的納米粉體，經(jīng)過(guò)球磨混勻，成型，真空燒結(jié)，退火處理后得到透光性良好的Yb，Nd:YAG透明陶瓷。采用雙摻Y(jié)b，Nd稀土離子可以達(dá)到提高泵浦光的吸收效率和降低激光振蕩閾值的目的，具有很實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101717249SQ20091026322
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者張其土, 楊浩, 王麗熙 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)