專利名稱：摻Ho³⁺氧化鑭釔透明陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷材料及其制備方法，屬特種陶瓷制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2 μ m波段位于水的一個吸收峰，大氣窗口波段以及人眼安全范圍，因此2 μ m激光在大氣遙感、光學(xué)通信、激光雷達(dá)以及醫(yī)療設(shè)備等方面具有重要的應(yīng)用，此外還可以用作中紅外3飛μ m光學(xué)參量振蕩器(ΟΡΟ)的抽運(yùn)源。在所有的稀土離子中，Tm3+離子的3F4 — 3H6 能級躍遷和Ho3+離子的5I7 — 5I8能級躍遷是獲得2 μ m發(fā)光的主要途徑。Ho3+離子具有豐富的能級、大的受激發(fā)射截面和長的熒光壽命(8ms)，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ? μ m激光激活離子。1962年，美國的Johnson等人在摻Ho3+離子的CaWO4晶體中首次獲得了 2. 09 μ m的激光輸出，但是由于高的閾值能量以及在低溫下工作，沒有實際應(yīng)用價值。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，而透明陶瓷材料由于自身的一些優(yōu)勢也在近些年來得到了研究。激光透明陶瓷具有很多單晶和玻璃所不具備的優(yōu)點(diǎn)和單晶相比，透明陶瓷具有摻雜濃度高，摻雜均勻性好，燒結(jié)溫度低，周期短，成本低，質(zhì)量可控性強(qiáng)，尺寸大，形狀自由度大以及可以實現(xiàn)多層多功能激光器等優(yōu)點(diǎn)；和玻璃相比，透明陶瓷具有單色性好，結(jié)構(gòu)組成更為理想，熱導(dǎo)率高和可承受的輻射功率高等優(yōu)點(diǎn)。由于陶瓷是多晶，其內(nèi)部的晶界、氣孔、晶格的不完整性等都會導(dǎo)致材料的不透明性及增加光的散射損失，因此將其用于激光介質(zhì)存在一定困難。為了制備和單晶激光性能相當(dāng)?shù)母咂焚|(zhì)、高透明度的激光陶瓷，人們做了大量研究工作。^O3是目前研究較多的一種激光基質(zhì)材料，氧化釔屬立方晶系，無雙折射現(xiàn)象， 熱導(dǎo)率高，是YAG的兩倍多，IO3晶體是一種優(yōu)良的固體激光基質(zhì)材料。但由于IO3的熔點(diǎn)高達(dá)M30 0C ,且在2280 °C附近會發(fā)生立方相向六方相的多晶相變，因而難以生長出大尺寸和高光學(xué)質(zhì)量的IO3單晶。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。通過在^O3粉體中添加La2O3粉體，可以加速氣孔排除，促進(jìn)IO3陶瓷燒結(jié)，進(jìn)一步降低透明陶瓷的燒結(jié)溫度并且有效抑制陶瓷晶粒過分長大， 因此氧化鑭釔透明陶瓷是一種性能優(yōu)良的激光基質(zhì)材料。目前，晶體、玻璃以及少數(shù)透明陶瓷基質(zhì)通過摻雜稀土離子，已經(jīng)實現(xiàn)2μπι處的激光輸出。通過將Ho3+離子摻雜到性能優(yōu)良的氧化鑭釔透明陶瓷基質(zhì)中，利用Ho3+離子在 5I7 — 5I8能級上的躍遷，從而獲得2 μ m波長的激光輸出，摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷有望成為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ? μ 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產(chǎn)高純Ηο203、Ι^203和IO3納米粉為原料，采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝，制定合適的燒結(jié)制度，最后在較低溫度條件下，采用固相燒結(jié)法制備摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷材料。
本發(fā)明一種摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于其具有以下的工藝過程和步驟
a.采用高純國產(chǎn)99.99% Ho203、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l_2rfyLa2xHo2y03，式中的x=0. 01 0. 20，y=0. 005 0. 10 ；
b.將按上述配比配制好的t-2x-2yLii2xHO2y03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，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，自然冷卻，得到 Ho:L_2xLa2xQ3(即 L-2x-2yLa2xHo2y03)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，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40目篩；
f.將造粒后的粉料干壓成型，隨后在200MI^冷等靜壓下壓成片狀試樣；
g.將上述試樣放在鉬絲爐中，在常壓還原氣氛下進(jìn)行燒結(jié)；燒結(jié)溫度范圍為1500 1700°C，燒結(jié)時間為4(Γ45小時，最終獲得致密的即Lt2yLa2xHo2yO3)透明陶
ο


圖1為本發(fā)明摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷的發(fā)射光譜。
具體實施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。實施例1
本實施例中，制備摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷的具體工藝步驟如下
a.采用高純國產(chǎn)99.99% Ho2O3>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)2I2yLEi2xHo2yO3,式中的χ=0. 10，y=0. 01 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. Olmol，La2O3 0. IOmol，Y2O3 0. 89mol ；
b.按上述配比稱量Ho203、La2O3和IO3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，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°C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，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.將上述試樣放在鉬絲爐中，在常壓還原氣氛下進(jìn)行燒結(jié)；燒結(jié)溫度為1580°C，燒結(jié)時間為45小時，最終制備出致密且具有良好光學(xué)性能的摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷。實施例2
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 01，y=0. 02 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 02mol, La2O3 0. OlmoljY2O3 0. 97mol ；燒結(jié)溫度1630°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例3
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是1-&,1^2!￡!10&03式中的 x=0. 01,y=0. 03 ；各成分的摩爾含量為Ho2O3 0. 03mol，La2O3 0. OlmoljY2O3 0. 96mol ；燒結(jié)溫度1630°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例4
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 05，y=0. 05 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 05mol, La2O3 0. 05moIjY2O3 0. 90mol ；燒結(jié)溫度1580°C，保溫時間40h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例5
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 05，y=0. 08 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 08mol, La2O3 0. 05moIjY2O3 0. 87mol ；燒結(jié)溫度1580°C，保溫時間40h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例6
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 05，y=0. 10 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. IOmol，La2O3 0. 05moIjY2O3 0. 85mol ；燒結(jié)溫度1580°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例7
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是1-&,1^2!￡!10&03式中的 x=0. 075，y=0. 01 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. Olmol，La2O3 0. 075mol, Y2O3 0. 915mol ； 燒結(jié)溫度1580°C，保溫時間40h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即L-2x_2yL￡i2xHO2y03)透明陶瓷。實施例8
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是1-&,1^2!￡!10&03式中的 x=0. 075，y=0. 02 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 02mol, La2O3 0. 075mol, Y2O3 0. 905mol ； 燒結(jié)溫度1580°C，保溫時間40h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即L-2x_2yL￡i2xHO2y03)透明陶瓷。實施例9
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是1-&,1^2!￡!10&03式中的 x=0. 10，y=0. 005 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 005mol, La2O3 0. IOmol，Y2O3 0. 895mol ； 燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即L-2x_2yL￡i2xHO2y03)透明陶瓷。實施例10
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 10，y=0. 03 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 03mol, La2O3 0. IOmoljY2O3 0. 87mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例11
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 10，y=0. 05 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 05mol, La2O3 0. IOmoljY2O3 0. 85mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例12
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的x=0. 10，y=0. 08 ；各成分的摩爾含量為Ho2O3 0. 08mol, La2O3 0. IOmoljY2O3 0. 82mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例13
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是1-&,1^2!￡!10&03式中的 x=0. 10，y=0. 10 ；各成分的摩爾含量為Ho2O3 0. IOmoljLa2O3 0. IOmoljY2O3 0. 80mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例14
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是1-&,1^2!￡!10&03式中的 x=0. 15，y=0. 01 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. Olmol,La2O3 0. 15moIjY2O3 0. 84mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例15
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 15，y=0. 02 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 02mol, La2O3 0. 15moIjY2O3 0. 83mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例16
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是1-&,1^2!￡!10&03式中的 x=0. 15，y=0. 05 ；各成分的摩爾含量為Ho2O3 0. 05mol，La2O3 0. 15moIjY2O3 0. 80mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例17
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 20，y=0. 01 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. Olmol，La2O3 0. 20moIjY2O3 0. 79mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例18
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 20，y=0. 05 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 05mol, La2O3 0. 20moIjY2O3 0. 75mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例19
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 20，y=0. 07 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 07mol, La2O3 0. 20moIjY2O3 0. 73mol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。實施例20
本實施例的工藝步驟與上述實施例1完全相同，所不同的是t-2rfyLa2xHO2y03式中的 x=0. 20，y=0. 09 ；各成分的摩爾含量為=Ho2O3 0. 09mol, La2O3 0. 20moIjY2O3 0. 7Imol ；燒結(jié)溫度1530°C，保溫時間45h，得到致密的Ho: V2xLei2xO3(即Ii2yLEt2xHo2yO3)透明陶瓷。由上述實例制備了致密的Ho:Y2-2xLa2x03(即L-2x-2yLa2xHo2y03)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單，制造成本低，有利于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。透明陶瓷樣品的發(fā)射光譜通過熒光光譜分析儀(Trix-550，Jobin Yvon Spex, France)檢測，如圖 1所示，可以發(fā)現(xiàn)在2μπι附近有一個較寬的發(fā)射帶，最強(qiáng)發(fā)射峰位于2018nm處，這說明摻 Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷有望成為一種2 μ m激光工作介質(zhì)材料。
權(quán)利要求
1. 一種摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷材料的制備方法，其特征在于其具有以下的工藝過程和步驟采用高純國產(chǎn)99. 99% Ho203、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_2yL xHc^y03，式中的 x=0. 01 0. 20，y=0. 005 0. 10 ；將按上述配比配制好的Ii2yLii2xH02yO3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，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 ； 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，自然冷卻，得到 Ho: V2xLa2xO3(即 Y2_2x_2yLa2xHo2y03)粉體；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，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 ；將球磨好的粉體在烘箱內(nèi)烘干，將粉料進(jìn)行造粒，過40目篩； 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； 將上述試樣放在鉬絲爐中，在常壓還原氣氛下進(jìn)行燒結(jié)；燒結(jié)溫度范圍為1500 1700°C，燒結(jié)時間為40 45小時，最終獲得致密的Ho:Y2_2xLa2x03(即Lt2yLa2xHo2yO3)透明陶ο
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用于中紅外2μm波段發(fā)光的摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷及其制備方法，屬特種陶瓷材料制造工藝領(lǐng)域。其特征在于采用采用國產(chǎn)高純Ho2O3、La2O3和Y2O3納米粉為原料，采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝，制定合適的燒結(jié)制度，最后在較低溫度條件下，采用固相燒結(jié)法制備摻Ho3+氧化鑭釔透明陶瓷材料。經(jīng)試驗測定，該陶瓷材料在2μm附近有一個較寬的發(fā)射帶，這說明摻Ho3+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C04B35/622GK102249679SQ20111015416
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者張浩佳, 李韞含, 楊秋紅, 王永剛, 陸神洲, 黃棟棟 申請人:上海大學(xué)