專利名稱：一種制備yag透明陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備YAG透明陶瓷的方法，更確切地說提供的制備方法為固液法，即起始原料中Al2O3為固相，Y2O3為液相Y(NO3)315屬于透明陶瓷的制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1995 ip,日 * 禾斗 f IC A. Ikesue [A. Ikesue, T. Kinoshita, and K. Kamata, Fabrication and optical properties of high-performance polycrystal1ine Nd: YAGceramics for solid-state lasers, J. Am. Ceramic. Soc. , 1995, 78 (4), 1033.]制備出高質(zhì)量的Nd:YAG透明陶瓷，并首次實現(xiàn)透明陶瓷的激光輸出，同時研制出世界上第一臺 NdiYAG陶瓷激光器。與傳統(tǒng)的激光器增益介質(zhì)晶體和玻璃相比，透明陶瓷具有制備簡單， 摻雜濃度高，易實現(xiàn)大尺寸等綜合優(yōu)勢。激光透明陶瓷的成功制備，大大促進了光學透明陶瓷的發(fā)展。1998年，日本神島化學公司成功采用納米粉體技術(shù)和真空燒結(jié)方法制備出YAG 透明陶瓷[T. Yanagitani，H. Yagi，and Μ. Ichikawa, Japanese patent, 1998，10-101333.， Τ. Yanagitani, H. Yagi, and Y. Hiro, Japanese patent, 1998,10-101411. ]。 2000
該方法制備出的Nd: YAG透明陶瓷成功實現(xiàn)透明陶瓷的高效激光輸出[J. Lu，M. Prabhu,and J. Xu, Highly efficient 2% Nd :yttrium aluminum garnet ceramiclaser, Appl. Phys. Lett.，2000，77 (23) ,3707-3709.]。此后，基于這一技術(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-光轉(zhuǎn)化效率從14. 5%提高到 28. 8%、30%禾口 42%。從目前已有的文獻和專利分析，較成熟的YAG透明陶瓷的制備方法有兩種一種是采用行星球磨混合氧化物粉體，然后將素坯進行真空燒結(jié)，簡稱固相法；另一種是采用液相共沉淀法制備YAG納米粉體，然后將素坯進行真空燒結(jié)，簡稱液相法。固相法工藝相對簡單，流程較短，但是固相法也存在本身的固有缺陷，采用球磨的方法很難將原料混合均勻， 容易出現(xiàn)組分的偏析，而且在長時間的球磨過程中易引入雜質(zhì)。采用液相法雖可以制備出質(zhì)量較好的樣品，但是該方法工藝流程較長，耗時較長，受限因素較多，不易控制。本發(fā)明意在探索制備YAG透明陶瓷的新工藝，達到既可實現(xiàn)原料的均勻混合，又可減少工藝環(huán)節(jié)，縮短流程時間的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用固液法制備YAG透明陶瓷的方法，既可實現(xiàn)原料的均勻混合，又可簡化工藝，縮短工藝耗時，提高效率。本發(fā)明是這樣實施的以商業(yè)Al2O3粉體和Y(NO3)3溶液為原料，按YAG的化學通式配料，將原料攪拌混合，然后超聲處理，再經(jīng)兩次低溫煅燒，得到氧化物混合粉體。將氧化物混合粉體分別預(yù)壓和等靜壓后成型為素坯，對素坯進行真空燒結(jié)即可得到透明YAG陶瓷。 而后對樣品進行退火，拋光等后處理。
本發(fā)明提供的YAG透明陶瓷的制備工藝，如圖1所示，其特征在于(1)所用的原料為不同形態(tài)，分別為Y(NO3)3溶液和固相Al2O3粉體，所選用的Al2O3 粉體為穩(wěn)定的α相或者Y等過渡相。所述的Al2O3粉體為α相，粒徑50nm 5 μ m。所述的Al2O3粉體為γ相，粒徑為5 lOOnm。(2)將原料攪拌混合后，進行超聲處理。超聲處理的時間為lOmin-lh。(3)將溶液蒸干后，對塊狀粉體進行低溫煅燒，煅燒溫度為200°C -400°C，煅燒時間(即保溫時間)為2-6h，煅燒后進行研磨和過篩(100目)后再次煅燒，再次煅燒的溫度為600°C -800°C，煅燒時間為(即保溫時間)為2-6h，煅燒后研磨，過200目篩。(4)成型素坯時，先采用30MPa-100MPa的壓力進行預(yù)壓成型，之后采用 150MPa-250MPa的壓力對素坯進行等靜壓。(5)真空燒結(jié)的溫度為1700°C -1800°C，保溫時間為5h_20h，之后在低于1500°C保溫8-12小時空氣條件下退火。綜上所述，本發(fā)明提供的YAG透明陶瓷的制備工藝的特點是(1)所采用的原料為不同形態(tài)，分別為固相Al2O3粉體，液相Y(NO3)3溶液。借助于所選用的原料屬不同形態(tài)，借助液相對固相粉體的潤濕作用，再輔以低溫煅燒時硝酸鹽的分解，實現(xiàn)氧化物粉體的均勻混合。(2)可實現(xiàn)不同氧化物粉體的均勻混合。(3)原料廉價易得，所需生產(chǎn)設(shè)備簡單，工藝耗時較短。


圖1本發(fā)明提供的YAG透明陶瓷的制備工藝流程圖；圖2實施例1中，200°C煅燒后得到的前軀體的熱分析數(shù)據(jù)(TG-DTA)；圖3實施例1中，600°C煅燒后得到的粉體的X射線衍射譜圖(XRD)；圖4實施例1中，600°C煅燒后得到的粉體的掃描電鏡(SEM)照片；圖5實施例1中，真空燒結(jié)后的樣品的X射線衍射譜圖(XRD)；圖6實施例1中，樣品拋光后的實物照片；圖7實施例2中，300°C煅燒后得到的前軀體的熱分析數(shù)據(jù)(TG-DTA)；圖8實施例2中，600°C煅燒后得到的粉體的X射線衍射譜圖(XRD)；圖9實施例2中，真空燒結(jié)后的樣品的X射線衍射譜圖(XRD)；圖10對比例1中，液相法制備YAG透明陶瓷的工藝流程；圖11對比例2中，固相法制備YAG透明陶瓷的工藝流程。
具體實施例方式用下列非限定性實施例進一步說明實施方式及效果實施例1分別取用43. 83mL Y (NO3)3 溶液(1. 369mol/L)和 10. 1961 g α -Al2O3 為原料，全部轉(zhuǎn)入500mL燒杯中，攪拌混合。然后加去離子水至總體積為IOOmL,對懸濁體系進行超聲處理lOmin。后在攪拌的情況下，將溶液蒸干。將得到的粉料進行研磨，過100目篩，然后在馬弗爐中進行200°C X4h煅燒處理，得到前驅(qū)體粉體。然后將前驅(qū)體粉體再次進行研磨，過100目篩，然后再次進行煅燒，煅燒條件為600°C X4h。將煅燒后粉體過200目篩，在鋼模中采用lOOMI^a的壓力預(yù)壓得到素坯，再將素坯進行200MI^等靜壓處理。將等靜壓處理后的素坯在真空條件下燒結(jié)，溫度1750°C，保溫時間20h。將真空燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛下退火，溫度1450°C，時間10h。之后將樣品拋光，進行性能測試。整個工藝流程耗時約4天。圖2為200°C煅燒后得到的前軀體的熱分析數(shù)據(jù)，根據(jù)熱分析結(jié)果顯示，前驅(qū)體幾乎全部的失重發(fā)生在600°C之前，這是由硝酸鹽的分解所造成的。圖3為600°C煅燒后得到的混合氧化物粉體的XRD譜圖，圖中顯示的衍射峰分別對應(yīng)α -Al2O3和IO3，未出現(xiàn)其它相。圖4為600°C煅燒后得到的混合氧化物粉體SEM形貌照片，從圖中可以明顯觀察到兩種不同形貌粉體的均勻混合。根據(jù)所選用的原料判斷，較小的顆粒為α-Al2O3，相對較大的塊狀顆粒為103。圖5為真空燒結(jié)后樣品的XRD圖譜，圖中的衍射峰全部對應(yīng)YAG相。圖6 為拋光后樣品的照片透過樣品可以清晰看到樣品下面的文字。實施例2本實施例的基本操作步驟與實施例1相同。本實施例選用Y-Al2O3，粉體第一次煅燒的條件為300°C X4h。圖7為300°C煅燒后得到的前驅(qū)體的熱分析數(shù)據(jù)，根據(jù)熱分析結(jié)果顯示，前軀體幾乎全部的失重發(fā)生在600°C之前。圖8為600°C煅燒后得到的混合氧化物粉體的XRD譜圖， 圖中衍射峰對應(yīng)的物相為IO3，由于Y -Al2O3的衍射峰強度較低，在XRD衍射圖譜中未出現(xiàn)該物相的衍射峰。圖9為真空燒結(jié)后樣品的XRD圖譜，圖中的衍射峰全部對應(yīng)YAG相。表征結(jié)果顯示采用過渡態(tài)Y-Al2O3與采用穩(wěn)定態(tài)α-Al2O3所得到的結(jié)果較類似。對比例1圖 10[Jianren Lu, Kenichi Ueda, Hideki Yagi, Takagimi Yanagitani, YasuhiroAkiyama and Alexander A. Kaminski i, Neodymium doped yttrium aluminumgarnet(Y3Al5O12)nanocrystalline ceramics-a new generation of solid state laserand optical materials, Journal of Alloys and Compounds,2002,341 (1-2), 220-225]為液相法制備YAG透明陶瓷的實驗流程。其中，沉淀反應(yīng)過程和洗滌及干燥過程耗時較長，整個工藝流程需耗時約1.5-2周。與實施例1相比，該工藝流程的耗時較長，本發(fā)明可以大大縮短工藝耗時。對比例2圖11為常用的固相法制備YAG透明陶瓷的工藝流程。其中，長時間的球磨為該工藝的關(guān)鍵步驟，原料粉體經(jīng)過長時間球磨以后才能較均勻的混合。表1為球磨過程中引入雜質(zhì)的量與球磨轉(zhuǎn)速的關(guān)系。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在長時間的球磨過程中，雜質(zhì)容易被引入，這會導(dǎo)致組分偏離化學計量比。在本發(fā)明中，不需長時間的球磨，可以避免該過程導(dǎo)致的雜質(zhì)引入。表1為不同球磨轉(zhuǎn)速下雜質(zhì)的引入量。表 權(quán)利要求
1.一種制備YAG透明陶瓷的方法，依次包括起始原料混合、超聲處理、烘干、塊狀粉體低溫煅燒、成型、燒結(jié)和退火，其特征在于采用固液法，起始原料中Al2O3為固相，Y2O3為液相 Y (NO3) 3，借助液相對固相粉體的潤濕作用，再輔以低溫煅燒時硝酸釔的分解，實現(xiàn)粉體的均勻混合。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的Al2O3粉體為α相，粒徑50nm 5μπι。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的Al2O3粉體為γ相，粒徑為5 lOOnm。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于超聲處理的時間為lOmin-lh。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的塊狀粉體低溫煅燒分二次，第一次煅燒溫度為200°C -400°C，保溫2- ；經(jīng)研磨過篩后再次進行煅燒，煅燒的溫度為 6000C -800°C，保溫 2-4h。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于素坯成型時，先采用30MPa-100MPa的壓力進行預(yù)壓成型，之后采用150MPa-250MPa的壓力對素坯進行等靜壓。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于真空燒結(jié)的溫度為1700°C-1800°C，保溫時間為 5h-20h。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的退火是在空氣條件下，退火溫度低于 1500°C，時間為 8-12h。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種YAG透明陶瓷的制備方法。其特征在于采用商業(yè)固相α-Al2O3或γ-Al2O3和液相Y(NO3)3為原料，借助溶液對Al2O3粉體的潤濕作用和硝酸鹽的分解，得到Al2O3和Y2O3的均勻混合粉體。然后將粉體成形，真空燒結(jié)和退火，可得到Y(jié)AG透明陶瓷。與傳統(tǒng)的制備方法相比，本發(fā)明具有易實現(xiàn)原料均勻混合，工藝簡單，耗時短等優(yōu)點。
文檔編號C04B35/115GK102173759SQ20101061922
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者寇華敏, 張文馨, 潘裕柏, 王亮, 郭景坤, 陳明霞 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所