[发明专利]一种Ca助剂体系YAG基透明陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于先进陶瓷领域，具体涉及一种Ca助剂体系YAG基透明陶瓷的制备方法，更具体的涉及一种在非退火机制下基于少量Ca单烧结助剂体系下真空烧结制备钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂,YAG)基透明陶瓷的方法，更确切的说是提供一种在不加以后期退火处理的情况下，以少量Ca作为单一烧结助剂采用单步真空烧结法制备具有良好光学质量和晶粒尺寸细小均一的YAG基透明陶瓷的方法。

背景技术

固体激光器以其峰值功率高、效率高、寿命长、安全可靠等优点，在激光器应用领域中已处于主导地位，在国防军工、工业加工、和科研等领域应用广泛。目前欧、美等发达国家以国家之力大力支持发展固体激光技术，我国在《国家中长期科学与技术发展纲要(2006－2020年)》也将其列入8大前沿技术之中。固体激光器的核心部件是增益介质，其对激光输出性能的好坏起着决定性的作用，因此，对固体激光器增益介质进行深入研究具有十分重要的意义。目前固体激光器增益介质主要为单晶材料，然其具有成本高、生产周期长、工艺复杂、难以实现高浓度及均匀掺杂和大尺寸制备等缺陷，难以满足日新月异的激光技术发展的需求。

透明陶瓷作为一种全新的固体激光材料，其无论是制备技术还是材料性能等方面都具有传统单晶材料和玻璃材料无可比拟的优势，能够完全克服单晶材料的缺陷，发展极为迅速，已经成为激光材料研究的热点和重点，被认为是继单晶材料之后的下一代激光材料。目前，各种稀土离子掺杂激光透明陶瓷材料层出不穷，如钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂，YAG)、倍半氧化物、尖晶石、氟化物等体系，各种陶瓷基激光输出也相继被报导，并已经在许多重要领域中获得初步应用，其取代单晶成为下一代激光增益介质正逐步成为现实。在所有的透明陶瓷材料体系中，YAG基透明陶瓷以其易于制备和良好的物理化学性能等优势，是激光材料研究领域的热点和重点，目前已经成为研究成果最为丰硕、应用最为广泛的的透明陶瓷材料体系，发展前景十分广阔。

在YAG透明陶瓷的制备方面，完全致密化是实现YAG透明陶瓷良好光学质量的基本要求。因此为了进一步提升YAG透明陶瓷的最终光学质量，通常会引入烧结添加剂，即烧结助剂。烧结助剂的目的是进一步促进陶瓷的致密化，同时能够减少散射源(例如孔隙)的数目，并能够在烧结过程中阻止晶界的快速迁移，抑制晶内气孔的形成，有利于获得晶粒细小，分布均匀且完全致密的陶瓷显微结构，提升其光学性能。

众所周知，TEOS(受热分解生成SiO₂)是制备YAG透明陶瓷最常用的烧结助剂。这是因为高温下SiO₂会与YAG基质反应生成液相，使扩散机制由固相扩散转变为液相扩散，其能够在降低烧结温度的同时大幅提升扩散速率，有利于促进透明陶瓷的致密化。然而，采用TEOS助剂制备的YAG透明陶瓷晶粒尺寸普遍偏大，这样既不利于陶瓷的机械性能，也容易造成难以排除的晶内气孔。为了抑制有TEOS导致的晶粒异常长大，通常需要加入晶粒抑制剂(如MgO)，这样进一步增加了烧结助剂的使用量。另外Si⁴⁺离子通常取代YAG晶格中Al³⁺格位，其导致的电荷补偿效应会极大的抑制一些特定掺杂离子如Yb离子或Cr离子的高价态转化。文献1(W.Liu,J.Li,J.Liu,B.Liu,Y.Fu,Y.Pan,J.Guo,Ceram Int,40(2014),8879-8883.)采用正硅酸乙酯(TEOS，其受热分解成SiO₂)为烧结助剂制备了0.1at.％Cr,1.0at.％Nd:YAG透明陶瓷，尽管采用CaO作为电荷补偿剂，但由于Si⁴⁺的抑制作用，退火后几乎没有实现Cr³⁺→Cr⁴⁺转化。上述缺陷严重阻碍了硅助剂体系YAG透明陶瓷的实际应用。