專(zhuān)利名稱(chēng)：一種摻Tm³⁺氧化鑭釔激光透明陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷材料及其制備方法，其屬特種陶瓷制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2 U m波段激光在很多方面得到了應(yīng)用，2 y m波段激光的大氣傳輸特性好，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)煙霧穿透能力強(qiáng)，對(duì)人眼安全，另外激光雷達(dá)在軍事上也占有很重要的地位。2 y m波段激光還可以用作醫(yī)用手術(shù)刀，做淺表性手術(shù)(不會(huì)傷及深層)，確保手術(shù)安全。
稀土離子Tm3+ (銩)離子的3F4 — 3H6能級(jí)躍遷是獲得2 U m波段發(fā)光的主要途徑。Tm3+離子具有小的受激發(fā)射截面，但因其能級(jí)激發(fā)過(guò)程中的交叉弛豫過(guò)程，使得Tm3+離子內(nèi)量子效率達(dá)到2，因此其發(fā)光強(qiáng)度不亞于已經(jīng)報(bào)道的激光發(fā)射強(qiáng)度。目前研究比較廣泛的激光材料，主要是稀土離子摻雜的晶體與玻璃材料，在透明陶瓷材料研究方面YAG (釔鋁石榴石)研究較多，并且也實(shí)現(xiàn)了激光的輸出。由于氧化鑭釔基透明陶瓷材料熱導(dǎo)率比YAG陶瓷高、聲子能量比YAG陶瓷低等優(yōu)點(diǎn)，使得氧化鑭釔基透明陶瓷材料有望實(shí)現(xiàn)較理想的激光輸出。Y2O3材料熱導(dǎo)率高，是YAG的兩倍多，其聲子能量比YAG低，是一種優(yōu)良的固體激光基質(zhì)材料。但由于Y2O3的熔點(diǎn)高達(dá)2430°C，且在2280°C附近會(huì)發(fā)生立方相向六方相的多晶相變，因而難以生長(zhǎng)出大尺寸和高光學(xué)質(zhì)量的Y2O3晶體。隨著陶瓷制備技術(shù)及納米制粉技術(shù)的發(fā)展，Y2O3透明陶瓷的燒結(jié)溫度可降低為1700°C左右。通過(guò)在Y2O3粉體中添加La2O3粉體，可以促進(jìn)晶界的移動(dòng)，加速氣孔排除，促進(jìn)Y2O3陶瓷燒結(jié)，因此氧化鑭釔基透明陶瓷是一種性能優(yōu)良的激光基質(zhì)材料。利用Tm3+離子在3F4 — 3H6能級(jí)上的躍遷，從而獲得2 u m波長(zhǎng)的激光輸出，摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷，有望成為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ? y m激光工作介質(zhì)材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于采用國(guó)產(chǎn)高純Tm203、La2O3和Y2O3納米粉為原料，采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝，采用合適的燒結(jié)方法，最后在較低溫度條件下，采用固相燒結(jié)法，制備摻Tm3+氧化鑭釔透明陶瓷材料。本發(fā)明涉及摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷材料的制備方法，其制備工藝過(guò)程和步驟如下
a.采用高純國(guó)產(chǎn)99.99% Tm2O3^99. 99% La2O3和99. 99%Y203納米粉為原料，三者的摩爾配比按化學(xué)分子式 Y2_2rfyLa2xTm2y03，式中的 x=0. 01 0. 20，y=0. 005 0. 10 ；
b.將按上述配比配制好的Y2_2x_2yLa2xTm2y03混合粉料放入球磨罐中進(jìn)行球磨，混合粉料在酒精介質(zhì)中球磨5小時(shí),料球比為2:1,酒精粉體質(zhì)量比為4:1,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/min ；
c.將球磨好的粉體在烘箱內(nèi)烘干，然后將混合粉在馬弗爐中進(jìn)行煅燒，1200°C保溫10小時(shí)，自然冷卻，得到 Tm: V2xLa2xO3(即 Y2_2x_2yLa2xTm2y03)粉體。
d.再次將粉體放入球墨罐中進(jìn)行球磨，在酒精介質(zhì)中球磨5小時(shí)，料球比為2:1，酒精粉體質(zhì)量比為4:1,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/min ；
e.將球磨好的粉體在烘箱內(nèi)烘干，將粉料進(jìn)行造粒，過(guò)40目篩；
f.將造粒后的粉料干壓成型，隨后在200MPa冷等靜壓下壓成片狀試樣；
g.將上述試樣放在鑰絲爐中，在常壓還原氣氛下進(jìn)行燒結(jié)；燒結(jié)溫度范圍為1600 1700°C，燒結(jié)時(shí)間為40 45小時(shí)，最終獲得致密的Tm: Y2_2xLa2x03 (即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。前己述，試制可依據(jù)此透明陶瓷分子式Y(jié)2_2x_2yLa2xTm2y03,且使x=0. 01 0. 20,y=0. 005^0. 10,可依據(jù)試制將X, y范圍進(jìn)行系列的組合調(diào)制,例如固定x=0. 10,使其y值分別可為y=0. 04 ； y=0. 02 ； y=0. 06 ； y=0. 08 ；y=0. 10 ； y=0. 01 ；y=0. 005 等等
又如x=0. 08, y=0. 02 ； y=0. 05 ;如當(dāng)x=0. 05, y=0. 02 ； y=0. 04 等等同樣x=0. 01, y=0. 02 ； y=0. 05 ； x=0. 20, y=0. 02 ； y=0. 01 ； y=0. 07 等等故本發(fā)明己于該分子式中的x=0. 01 0. 20，y=0. 005、. 10中表明了具體化所涉發(fā)明技術(shù)，及所定相關(guān)范疇，且若無(wú)正常理由的模擬，或類(lèi)比，或延伸，即已表明了涉及本發(fā)明具體化技術(shù)中所定相關(guān)或相似的分子式范疇，也可歸屬于本技術(shù)發(fā)明保護(hù)權(quán)限。


圖1，摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷的透過(guò)率光譜(縱座標(biāo)為透過(guò)率_%，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)-nm)
圖2，摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷的發(fā)射光譜(縱座標(biāo)為熒光強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)-nm)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例按序進(jìn)行如下敘述 實(shí)施例I
本實(shí)施例中，制備摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷的具體工藝步驟如下
a.采用高純國(guó)產(chǎn)99.99% Tm2O3>99. 99% La2O3和99. 99%Y203納米粉為原料，三者的質(zhì)量配比按化學(xué)分子式Y(jié)2_2x_2yLa2xTm2y03,式中的x=0. 10, y=0. 04 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 04mol，La2O3=O. IOmol，Y2O3 = 0. 86mol ；
b.按上述配比稱(chēng)量Tm203、La2O3和Y2O3粉體，放入球磨罐中進(jìn)行球磨，混合料在酒精介質(zhì)中球磨5小時(shí),料球比為2:1,酒精粉體質(zhì)量比為4:1,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/min ；
c.將球磨好的粉體放入烘箱，在一定溫度下烘干，將混合粉在馬弗爐中進(jìn)行煅燒，1200。。保溫IOh,自然冷卻；
d.再次將粉體放入球磨罐中進(jìn)行球磨,在酒精介質(zhì)中球磨5小時(shí)，料球比為2:1，酒精粉體質(zhì)量比為4:1,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/min ；
e.將球磨好的粉體在烘箱內(nèi)烘干，將粉料進(jìn)行造粒，過(guò)40目篩；
f.將造粒后的粉料干壓成型，隨后在200MPa冷等靜壓下壓成片狀試樣；
g.將上述試樣放在鑰絲爐中，在常壓還原氣氛下進(jìn)行燒結(jié)；燒結(jié)溫度為1680°C，燒結(jié)時(shí)間為45小時(shí)，最終制備出致密且具有良好光學(xué)性能的摻Tm3+氧化鑭釔透明陶瓷。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 10, y=0. 02 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 02mol, La2O3=O. IOmol, Y2O3=O. 88mol ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例3
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 10, y=0. 06 ;各成分的摩爾含量分別是=Tm2O3= 0. 06mol, La2O3=O. IOmol, Y2O3=O. 84mol ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例4
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的 x=0. 10, y=0. 08 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 08mol, La2O3=O. IOmol, Y2O3=O. 82mol ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例5
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 10, y=0. 10 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. IOmol, La2O3=O. IOmol, Y2O3=O. 8OmoI ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例6
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 10,y=0. 01 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3 =0. Olmol,La2O3 =0. IOmol,Y2O3 =0. 89mol ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例7
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 08,y=0. 02 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3 =0. 02mol,La2O3 =0. 08mol,Y2O3 =0. 9OmoI ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例8
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的 x=0. 08, y=0. 05 ;各成分的摩爾含量分別是Tm203 = 0. 05mol, La2O3=O. 08mol, Y2O3=0. 87mol ;燒結(jié)溫度 1680°C，保溫時(shí)間 45h，得到致密的 Tm: Y2_2xLa2x03 (即 Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例9
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 05, y=0. 02 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 02mol, La2O3=O. 05mol, Y2O3=O. 93mol ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例10
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 05, y=0. 04 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 04mol, La2O3=O. 05mol, Y2O3=O. 9ImoI ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例11
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 01, y=0. 02 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 02mol, La2O3=O. Olmol, Y2O3=O. 97mol ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例12
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 10, y=0. 05 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 05mol, La2O3=O. IOmol, Y2O3=O. 85mol ；燒結(jié)溫度1640°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例13
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 10, y=0. 01 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3 =0. Olmol, La2O3=O. IOmol, Y2O3=O. 89mol ；燒結(jié)溫度1640°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例14
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的·x=0. 20，y=0. 02 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 02mol, La2O3=O. 20mol, Y2O3=O. 78mol ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例15
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 20, y=0. 01 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. Olmol, La2O3=O. 20mol, Y2O3=O. 79mol ；燒結(jié)溫度1640°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例16
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 20, y=0. 07 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 07mol, La2O3=O. 20mol, Y2O3=O. 73mol ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例17
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 20, y=0. 09 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 09mol, La2O3=O. 20mol, Y2O3=O. 7ImoI ；燒結(jié)溫度1680°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例18
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的 x=0. 10, y=0. 005 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. 005mol, La2O3=O. IOmol,Y2O3=O. 895mol ;燒結(jié)溫度1640 V，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2-2x-2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。實(shí)施例19
本實(shí)施例的工藝步驟與上述實(shí)施例I完全相同，所不同的是Y2_2x_2yLa2xTm2y03式中的x=0. 10, y=0. 01 ;各成分的摩爾含量分別是Tm2O3=O. Olmol, La2O3=O. IOmol, Y2O3 =0. 89mol ；燒結(jié)溫度1700°C，保溫時(shí)間45h，得到致密的Tm: Y2_2xLa2x03 (即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。由上述實(shí)例制備了致密的Tm:Y2_2xLa2x03(即Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷，具有良好的光學(xué)性能。本發(fā)明的材料制備工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，有利于工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。透明陶瓷樣品的透過(guò)率光譜采用日本JASCO公司的V-570型UV/VIS/NIR分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，如圖I所示，可以發(fā)現(xiàn)其SOOnm附近吸收峰明顯，在2 附近有較高的透過(guò)率，LD (半導(dǎo)體激光)可以直接作為泵浦源。發(fā)射光譜通過(guò)熒光光譜分析儀(Trix-550，Jobin Yvon Spex,France)檢測(cè)，如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)在2 u m附近有一個(gè)較寬的發(fā)射帶，最強(qiáng)發(fā)射峰位于1931nm處，測(cè)試結(jié)果均說(shuō)明摻Tm3+氧化鑭釔透明陶瓷，有望成為一種2 u m激光工作介質(zhì)材 料。
權(quán)利要求
1.ー種摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于該激光透明陶瓷具有以下的制備エ藝過(guò)程 a.采用高純國(guó)產(chǎn)99.99% Tm203、99. 99% La2O3和99. 99%Y203納米粉為原料，三者的摩爾配比按化學(xué)分子式 Y2_2x_2yLa2xTm2y03，式中的 x=0. 01 O. 20，y=0. 005 O. 10 ； b.將按上述配比配制好的Y2-2x-2yLa2xTm2y03混合粉料放入球磨罐中進(jìn)行球磨，混合粉料在酒精介質(zhì)中球磨5小時(shí),料球比為2:1,酒精粉體質(zhì)量比為4:1,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50 r/min ； c.將球磨好的粉體在烘箱內(nèi)烘干，然后將混合粉在馬弗爐中進(jìn)行煅燒，1200°C保溫10小吋，自然冷卻，得到 Tm:Y2_2xLa2x03(即 Y2-2x_2yLa2xTm2y03)粉體； d.再次將粉體放入球墨罐中進(jìn)行球磨,在酒精介質(zhì)中球磨5小時(shí)，料球比為2:1，酒精粉體質(zhì)量比為4:1,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為50 r/min ； e.將球磨好的粉體在烘箱內(nèi)烘干，將粉料進(jìn)行造粒，過(guò)40目篩； f.將造粒后的粉料干壓成型，然后在冷等靜壓200MPa條件下壓成片狀試樣； g.將上述試樣放在硅鑰絲爐中，在常壓還原氣氛下進(jìn)行燒結(jié)；燒結(jié)溫度范圍為1700 1800°C，燒結(jié)時(shí)間為40 45小吋，最終獲得致密的Tm: Y2_2xLa2x03卿Y2_2x_2yLa2xTm2y03)透明陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的ー種摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于按化學(xué)分子式Y(jié)2_2x_2yLa2xTm2y03，式中的x=0. 01 O. 20，y=0. 005、· 10 ;可依據(jù)試制將x，y范圍進(jìn)行系列組合調(diào)制固定χ=0· 10,使其y值分別可為y=0. 04 ； y=0. 02 ； y=0. 06 ；y=0. 08 ；y=0. 10 ； y=0. 01 ；y=0. 005 等等；又如x=0. 08, y=0. 02 ； y=0. 05 ;如當(dāng)x=0. 05，y=0. 02 ； y=0. 04 等等；同樣χ=0· 01, y=0. 02 ； y=0. 05 ；或當(dāng) χ=0· 20, y=0. 02 ； y=0. 01 ；y=0. 07等等，表明了涉及本發(fā)明具體化技術(shù)中，所定相關(guān)或相似的分子式調(diào)制范疇歸屬本特征。
全文摘要
本發(fā)明涉及摻Tm3+氧化鑭釔激光透明陶瓷的制備方法，屬特種陶瓷材料制造工藝領(lǐng)域。其采用國(guó)產(chǎn)高純(4N純度)Tm2O3、La2O3和Y2O3的納米粉為原料，將它們按一定摩爾比配制，經(jīng)傳統(tǒng)陶瓷制備工藝成型，而后固相燒結(jié)，制取了致密的Tm:Y2-2xLa2xO3(即Y2-2x-2yLa2xTm2yO3)透明陶瓷，具有良好的光學(xué)性能。本發(fā)明的材料制備工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，有利于工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。樣品經(jīng)透過(guò)率光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其在2μm附近有較高的透過(guò)率，于800nm附近吸收峰明顯，LD可以直接作為泵浦源。又以熒光光譜分析顯示，峰值在1931nm，說(shuō)明摻Tm3+氧化鑭釔透明陶瓷，有望成為一種2μm激光工作介質(zhì)材料。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102674839SQ20121016055
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者劉強(qiáng), 李韞含, 楊秋紅, 段琪瑱, 王永剛, 趙廣根, 黃棟棟 申請(qǐng)人:上海大學(xué)