專利名稱：Ggg透明激光陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光陶瓷介質(zhì)的制備方法，更具體地說(shuō)是涉及一種先通過(guò)磁場(chǎng)成 型然后再熱壓燒結(jié)或者真空燒結(jié)或者SPS燒結(jié)的方式燒結(jié)制備GGG透明激光陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
對(duì)固態(tài)激光器來(lái)說(shuō)，有三種重要的激光介質(zhì)，即晶體、玻璃和陶瓷。晶體是目前 應(yīng)用最廣泛的固體激光介質(zhì)，例如，Nd:YAG晶體，但Nd:YAG晶體生長(zhǎng)時(shí)伴有應(yīng)力核心問(wèn)題， 使得毛坯的中心部分不能用作激光介質(zhì)，無(wú)法獲得大尺寸的激光元件。針對(duì)Nd:YAG晶體 缺陷，美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室嘗試將Nd:GGG晶體作為制作大功率固體激光器的工作物 質(zhì)。GGG作為激光基質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)在于=(I)GGG晶體容易在平坦固液界面下生長(zhǎng)，不存在應(yīng)力 核心，整個(gè)截面都能有效利用，由此容易得到可應(yīng)用于大功率激光器的大尺寸板條GGG，同 時(shí)，GGG可在較高的拉速下生長(zhǎng)出大尺寸、光學(xué)均勻性好的晶體；(2)GGG中的Nd3+分凝系數(shù) 為0. 52，故Nd3+在GGG中易實(shí)現(xiàn)高摻雜，有利于提高泵浦效率，在大功率情形下尤其重要， 而Nd3+在YAG中的分凝系數(shù)僅為0. 1 0. 2，很難得到高摻雜濃度的Nd:YAG ； (3)在GGG晶 體中，Nd3+的激光上能級(jí)沒(méi)有顯著的發(fā)光淬滅。Nd:GGG具有良好的力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性、高的 熱導(dǎo)率、寬的泵浦吸收帶、長(zhǎng)的熒光壽命，泵浦光的吸收和儲(chǔ)能性都較好，適合于閃光燈、LD 泵浦，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)波和脈沖式激光運(yùn)轉(zhuǎn)。詳見(jiàn)，曾繁明，孫晶，李建利等，Nd:GGG晶體生長(zhǎng)與 開(kāi)裂研究，人工晶體學(xué)報(bào)，2005，34 (2)，332-336和王召兵，張慶禮，孫敦陸等，Nd:GGG激光 晶體的缺陷研究，量子電子學(xué)報(bào)，2005，22 (4) 574-578。相對(duì)于單晶和玻璃，陶瓷熱導(dǎo)率高，抗熱沖擊能力強(qiáng)，可以摻雜高濃度的激活離 子，制備周期短，且可以制備大尺寸、形狀較復(fù)雜的材料，甚至是多層多功能陶瓷材料，因此 成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者備受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。最近，日本采用了新的工藝制造出了散 射損耗小、高度透明的多晶陶瓷，并且產(chǎn)生了高效的激光振蕩，使得陶瓷激光介質(zhì)引起了人 們的廣泛關(guān)注。Nd3+= Gd3Ga5O12 (Nd3+ = GGG)作為激光增益介質(zhì)，具有較高的熱擴(kuò)散率、較大的 輻射截面和較強(qiáng)的斷裂應(yīng)力，詳見(jiàn)曾繁明，張瑩，孫晶，劉景和，摻釹釓鎵石榴石激光晶體光 譜分析，光譜和光譜學(xué)，2009，29 (5)，1323-1326。Nd3+:GGG和Nd3+: YAG是激光二極管(LD)抽 運(yùn)高功率固體激光器中的理想工作介質(zhì)。其中，大尺寸Nd3+ = GGG是固體熱容激光器中的工 作物質(zhì)，它可制備出尺寸大、光學(xué)均勻性好、效率高、熱導(dǎo)熱容高的激光工作元件。盡管GGG 陶瓷具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但到目前為止，尚未見(jiàn)到GGG陶瓷制備方面的詳細(xì)報(bào)道。采用常規(guī)方法制備GGG透明陶瓷比較困難，這源于晶界相和晶粒本身的折射率相 差很大，導(dǎo)致光線大量的折射和散射，從而使得透光性大大地降低；當(dāng)光線穿過(guò)任意取向的 兩相鄰晶粒時(shí)，會(huì)發(fā)生晶界雙折射；多晶陶瓷存在著成百上千任意取向的晶粒，多次反復(fù)的 雙折射最終導(dǎo)致透過(guò)率的下降。然而，近年來(lái)，研究人員在氧化鋁中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各個(gè)晶粒的光 軸相互平行排列時(shí)，在理論上晶界雙折射可以消除。為了得到定向排列的氧化鋁，可以利 用在強(qiáng)磁場(chǎng)中氧化鋁顆粒會(huì)沿著磁場(chǎng)方向排列的特點(diǎn)，制備出了光軸相互平行的透明多晶 氧化鋁陶瓷，與晶粒無(wú)序排列的半透明氧化鋁陶瓷相比，光學(xué)性能得到了大幅度提高，詳見(jiàn)X. J. Mao, S. W. Wang, S. Ζ. Shimai, and J. K. Guo, Transparent Polycrystalline Alumina Ceramics with OrientatedOptical Axes,J. Am. Ceram. Soc. ,2008,91(10) :3431_34330 另 夕卜，與在普通壓力機(jī)上壓制粉末相比，電磁壓制均勻性較高。電磁不同于不同壓制，慣性力 起主要作用，不會(huì)產(chǎn)生因壓制力被模壁的摩擦力所抵消而使制品密度沿壓制方向呈梯度分 布的狀況，脈沖電磁力在粉末尚未壓實(shí)鐓粗前以應(yīng)力波傳到粉末底部，壓力傳遞損失主要 取決于粉末材料的波阻，因此沿壓制方向密度分布比較均勻，詳見(jiàn)蘭新武，電磁成型技術(shù)在 機(jī)械加工中的應(yīng)用，科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，1 :1-2和姜娟，李瑛，朱明原，楊秋平，田野，溫壓 成型工藝制備釹鐵硼粘結(jié)磁體，有色金屬，2008,60 (1) :44-47。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是以GGG粉體和燒結(jié)助劑為起始原料，通過(guò)磁場(chǎng)下成 型、真空燒結(jié)或熱壓燒結(jié)或SPS法制備出GGG透明激光陶瓷。本發(fā)明技術(shù)方案一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，包括下列步驟 (1)、將GGG粉體和燒結(jié)助劑Nd2O3在水中均勻混合，GGG粉體和燒結(jié)助劑Nd2O3的 重量比例為98 90 10 2;(2)、將混合好的原料在磁場(chǎng)下2MPa壓力成型，磁場(chǎng)強(qiáng)度為廣10T，通過(guò)熱壓燒結(jié) 或者真空燒結(jié)或者SPS燒結(jié)的方式進(jìn)行燒結(jié)，待燒結(jié)結(jié)束后，將產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，即得 到所述GGG透明激光陶瓷。所述步驟(1)中所述GGG粉體的粒徑為50 lOOnm，燒結(jié)助劑Nd2O3的粉體純度 > 99wt %，粒徑為 0. 3 30 μ m。步驟⑵中所述的熱壓燒結(jié)條件為在10 30MPa、160(TC 1800°C下保溫時(shí)間 1 5小時(shí)、氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)。步驟⑵中所述的真空燒結(jié)條件為在1800°C 2000°C、保溫時(shí)間1 5小時(shí)、氫
氣作為保護(hù)氣氛條件下進(jìn)行真空燒結(jié)。步驟⑵中所述的SPS燒結(jié)條件為在10 30MPa、150(TC 1700°C、保溫時(shí)間 0. 5小時(shí)，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛條件下進(jìn)行SPS燒結(jié)。步驟(2)中在燒結(jié)結(jié)束后，對(duì)樣品進(jìn)行48小時(shí)以上1800°C保溫處理，然后冷卻至室溫。本發(fā)明的有益效果到目前為止，采用常規(guī)方法難以獲得GGG透明陶瓷。本發(fā)明采 用在磁場(chǎng)下進(jìn)行GGG材料成型，解決了晶粒定向平行排列問(wèn)題，不僅消除了燒結(jié)后陶瓷的 晶界雙折射現(xiàn)象，而且與在普通壓力機(jī)上壓制粉末相比，電磁壓制均勻性較高，因此沿壓制 方向密度分布比較均勻，這對(duì)于提高材料的致密度從而提升陶瓷的透光性能非常有利。采 用本專利，磁場(chǎng)下成型樣品晶粒定向排列，經(jīng)過(guò)燒結(jié)后，材料光學(xué)性能得到了大幅度提高， 獲得了 GGG透明陶瓷。本發(fā)明方法簡(jiǎn)便易行，適合工業(yè)應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述，一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，包括 下列步驟(1)、將GGG粉體和燒結(jié)助劑Nd203在水中均勻混合，GGG粉體和燒結(jié)助劑Nd203的重量比例為98 90 10 2;(2)、將混合好的原料在磁場(chǎng)下2MPa壓力成型，磁場(chǎng)強(qiáng)度為廣10T，通過(guò)熱壓燒結(jié) 或者真空燒結(jié)或者SPS燒結(jié)的方式進(jìn)行燒結(jié)，待燒結(jié)結(jié)束后，將產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，即得 到所述GGG透明激光陶瓷。所述步驟(1)中所述GGG粉體的粒徑為50 lOOnm，燒結(jié)助劑Nd2O3的粉體純度 > 99wt %，粒徑為 0. 3 30 μ m。步驟⑵中所述的熱壓燒結(jié)條件為在10 30MPa、1600°C 1800°C下保溫時(shí)間 1 5小時(shí)、氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)。步驟⑵中所述的真空燒結(jié)條件為在1800°C 2000°C、保溫時(shí)間1 5小時(shí)、氫
氣作為保護(hù)氣氛條件下進(jìn)行真空燒結(jié)。 步驟⑵中所述的SPS燒結(jié)條件為在10 30MPa、150(TC 1700°C、保溫時(shí)間 0. 5小時(shí)，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛條件下進(jìn)行SPS燒結(jié)。步驟(2)中在燒結(jié)結(jié)束后，進(jìn)一步對(duì)樣品進(jìn)行48小時(shí)以上1800°C保溫處理，然后 冷卻至室溫，得到所述GGG透明激光陶瓷。實(shí)施例1 將含有5wt% Nd2O3燒結(jié)助劑的GGG粉料放在水中均勻混合后，先將原料在磁場(chǎng)下 2MPa壓力成型，磁場(chǎng)強(qiáng)度為廣10T，然后在20MPa、1650°C、保溫時(shí)間1小時(shí)、氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條 件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)樣品在1800°C下保溫48hr，獲得GGG激光透明陶瓷。實(shí)施例2 采用實(shí)施例1相同工藝，只是將Nd2O3的含量提高到15wt%，其余條件均同實(shí)施例 1，同樣能得到激光透明陶瓷。實(shí)施例3 將含有5wt% Nd2O3燒結(jié)助劑的GGG粉料放在水中均勻混合后，先將原料在磁場(chǎng)下 2MPa壓力成型，磁場(chǎng)強(qiáng)度廣10T，然后進(jìn)行真空燒結(jié)，條件為1800°C 2000°C、保溫時(shí)間廣5 小時(shí)下進(jìn)行的、氫氣作為保護(hù)氣氛，燒結(jié)樣品在1800°C下保溫48hr，也能獲得激光透明陶實(shí)施例4 采用實(shí)施例3相同工藝，只是將Nd2O3的含量提高到15wt%，其余條件均同實(shí)施例 3，同樣能得到激光透明陶瓷。實(shí)施例5:將含有5襯％燒結(jié)助劑GGG鎂的粉料放在水中均勻混合后，先將原料在磁場(chǎng)下 2MPa壓力成型，磁場(chǎng)強(qiáng)度為廣10T，然后進(jìn)行SPS燒結(jié)，條件為l(T30MPa、1500°C 1700°C、 保溫時(shí)間0. 5小時(shí)，燒結(jié)樣品在1800°C下保溫48hr，也能獲得激光透明陶瓷。實(shí)施例6 采用實(shí)施例5相同工藝，只是將Nd2O3的含量提高到15wt%，其余條件均同實(shí)施例 5，同樣能得到激光透明陶瓷。以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說(shuō)明，而依據(jù)發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何 等價(jià)交換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，包括下列步驟(1)、將GGG粉體和燒結(jié)助劑Nd2O3放在水中均勻混合，GGG粉體和燒結(jié)助劑Nd2O3的重量比例為98～90∶10～2；(2)、將混合好的原料在磁場(chǎng)下2MPa壓力成型，磁場(chǎng)強(qiáng)度1～10T，然后通過(guò)熱壓燒結(jié)或者真空燒結(jié)或者SPS燒結(jié)的方式進(jìn)行燒結(jié)，待燒結(jié)結(jié)束后，將產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，即得到所述GGG透明激光陶瓷。
2.權(quán)利要求1所述一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，其特征是所述步驟⑴中所述 GGG粉體的粒徑為50 lOOnm，燒結(jié)助劑Nd2O3的粉體純度> 99wt%，粒徑為0. 3 30 μ m。
3.權(quán)利要求1或2所述一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，其特征是步驟(2)中所 述的熱壓燒結(jié)條件為在10 30MPa、1600°C 1800°C下保溫時(shí)間1 5小時(shí)、氮?dú)鈿夥毡?護(hù)條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)。
4.權(quán)利要求1或2所述一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，其特征是步驟(2)中所 述的真空燒結(jié)條件為在1800°C 2000°C、保溫時(shí)間1 5小時(shí)、氫氣作為保護(hù)氣氛條件下 進(jìn)行真空燒結(jié)。
5.權(quán)利要求1或2所述一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，其特征是步驟⑵中所 述的SPS燒結(jié)條件為在10 30MPa、1500°C 1700°C、保溫時(shí)間0. 5小時(shí)，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù) 氣氛條件下進(jìn)行SPS燒結(jié)。
6.權(quán)利要求3所述一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，其特征是在燒結(jié)結(jié)束后，對(duì)樣 品進(jìn)行48小時(shí)以上1800°C保溫處理，然后冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種GGG透明激光陶瓷的制備方法，包括下列步驟(1)、將GGG粉體和燒結(jié)助劑Nd2O3放在水中均勻混合，GGG粉體和燒結(jié)助劑Nd2O3的重量比例為98～90∶10～2；(2)、將混合好的原料在磁場(chǎng)下2MPa壓力成型，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1~10T，然后通過(guò)熱壓燒結(jié)或者真空燒結(jié)或者SPS燒結(jié)的方式進(jìn)行燒結(jié)，待燒結(jié)結(jié)束后，將產(chǎn)物隨爐冷卻至室溫，即得到所述GGG透明激光陶瓷。本發(fā)明方法簡(jiǎn)便易行，適合工業(yè)應(yīng)用。
文檔編號(hào)C04B35/50GK101844922SQ20101014791
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者徐家躍, 江國(guó)健, 范研艷, 郝楠, 陳竟斌, 黃佳婧 申請(qǐng)人:上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院