一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高透明度、機(jī)械性能優(yōu)良的釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法，其制備方法具體如下：將0.5at.％Nd3+，5at.％Y3+：SiF2單晶加工成標(biāo)準(zhǔn)長方體樣品，然后將樣品放入石墨模具中，樣品與石墨模具之間用雙層石墨紙隔離開；最后將裝有單晶的模具放入真空熱壓爐中，按照設(shè)定好的工藝參數(shù)對樣品進(jìn)行升溫，按固定方向進(jìn)行鍛壓，當(dāng)樣品達(dá)到一定的相對形變時，停止給樣品加壓，關(guān)閉真空熱壓爐程序，待爐溫冷卻至室溫時，取出樣品，進(jìn)行打磨、拋光，得所述釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷。本發(fā)明涉及的工藝簡單，成本較低，避免了通過粉體燒結(jié)工藝制備陶瓷的過程，且制備出了光學(xué)性能和單晶相媲美，機(jī)械性能又優(yōu)良的多晶體。
【專利說明】
一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域，具體涉及一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 稀土摻雜氟化物晶體具有禁帶寬度大（-12ev)，透光范圍廣（125nm~ΙΟμπι)，折射 率?。▇1.434, Vis~NIR)，聲子能量低（~390〇!^)等氧化物無法比擬的優(yōu)點而成為目前綜 合性能最優(yōu)異的光學(xué)材料之一。同時，由于稀土離子的摻雜，使得其結(jié)構(gòu)中存在不同形式的 電荷補償，易形成寬廣而平滑的吸收和發(fā)射光譜，有利于產(chǎn)生很短的脈沖激光，因而被廣泛 應(yīng)用于激光介質(zhì)材料。
[0003] 由于氟化鍶晶體屬于螢石型結(jié)構(gòu)，Sr2+位于立方晶胞的頂點及面心位置，形成面心 立方堆積，F(xiàn)填充在立方體的體心，從空間格子來看，它是由一套Sr2+的面心立方格子和兩 套F的面心立方格子穿插而成。其結(jié)構(gòu)中Sr2+只填充了立方體空隙的一半，因此在（111)面 網(wǎng)方向上存在靜電斥力，導(dǎo)致晶體在平行于（111)面網(wǎng)方向上易發(fā)生解理，因而這些單晶材 料的機(jī)械性能較差。
[0004] 氟化物透明陶瓷其優(yōu)異的光學(xué)性能和物理性能受到諸多科研人員的青睞，但是， 目前制備氟化物透明陶瓷仍然以傳統(tǒng)的粉體成型燒結(jié)法為主，該法包含粉體的制備與燒結(jié) 兩個階段。盧剛采用共沉淀法制備出氟化物納米粉體，再經(jīng)過真空熱壓燒結(jié)制備出了透過 率高達(dá)90%的Nd:CaF2透明陶瓷（參見文獻(xiàn)Lu G，Mei B C，Song J H，et al.Fabrication and properties of highlytransparent Nd-Doped CaF2ceramics[J].materials Letters，2014,115:162-164.)，然而，目前這種采用傳統(tǒng)陶瓷制備工藝制備出的氟化物陶 瓷都未能獲得理想的激光輸出，主要是因為氟化物易水解，在制粉過程中會產(chǎn)生一種氧氟 化物吸附于納米粉體的表面，而且很難消除掉，成為透明陶瓷中的雜相，破壞陶瓷的光學(xué)均 勻性，從而影響激光輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法，該方法工藝 簡單，且制備的透明陶瓷不僅光學(xué)性能優(yōu)異，機(jī)械性能也得到明顯提高。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷 的制備方法，其特征在于包括以下步驟：
[0007] 1)將準(zhǔn)備好的原料0.5at. %Nd3+，5at. % Y3+: SiF2單晶（以坩堝下降法生長，產(chǎn)地為 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，為現(xiàn)有產(chǎn)品）加工成尺寸分別為36 X 5 X 3mm、6 X 6 X 4mm、5 X 5 X 9mm標(biāo)準(zhǔn)長方體試樣；
[0008] 2)將步驟1)的試樣放入圓柱體石墨模具中，試樣與模具之間用雙層石墨紙隔離， 再將裝有試樣的模具放入真空熱壓爐中；
[0009] 3)將樣品加熱至900-1200°C，保溫10-30min，然后沿固定方向進(jìn)行熱鍛處理，得到 樣品；
[0010] 4)待爐溫冷卻至室溫時，取出樣品，對熱鍛后的樣品進(jìn)行打磨、拋光處理，得到釹 釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷。
[0011] 上述方案中所述0.5at. %Nd3+，5at. % Y3+: SiF2單晶原料以坩堝下降法生長，產(chǎn)地 為中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所。
[0012] 上述方案中，步驟3)中沿固定方向進(jìn)行熱鍛處理為：分別沿晶體生長方向或垂直 于晶體生長方向鍛壓。
[0013] 上述方案中，步驟3)將樣品加熱至1050°C，保溫lOmin。
[0014] 上述方案中，步驟3)中的壓力為0.4t-0.9t，鍛壓時間為10-15min。
[0015]上述方案中，步驟3)中的真空度為9 X 10_3pa以下(真空熱壓爐中的真空度）。
[0016] 根據(jù)上述方案制備的釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷經(jīng)打磨拋光后，其在可見光、 近紅外波段透過率約為86%;在796nm處有很強(qiáng)的吸收峰和較寬的吸收寬帶，有利于激光的 栗浦，并且其機(jī)械性能均獲得了不同程度的提高。
[0017] 本發(fā)明以〇. 5at. %Nd3+，5at. % Y3+: SiF2單晶為原料，打破了通過粉體燒結(jié)制備陶 瓷的傳統(tǒng)工藝，利用熱鍛技術(shù)制備出透明陶瓷，避免了粉體制備過程中產(chǎn)生的不利影響，涉 及的工藝簡單，成本較低，在保持了單晶優(yōu)異的光學(xué)性能的同時，提高了其機(jī)械性能。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為：
[0019] 1)本發(fā)明的原料為單晶，有效避免了粉體制備周期長，以及在制粉過程中出現(xiàn)的 影響陶瓷光學(xué)性能的雜相，能夠獲得優(yōu)異的光學(xué)性能的陶瓷產(chǎn)物。
[0020] 2)本發(fā)明運用熱鍛技術(shù)制備透明陶瓷，涉及的工藝簡單，效率較高，并且在一定程 度上解決了單晶尺寸難以長大的問題。
[0021] 3)本發(fā)明制備的透明陶瓷抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性等機(jī)械性能均比單晶有 明顯提尚。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例1和2所得釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷和單晶的XRD圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明實施例1所得釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的形貌圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明實施例1所得釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的透過率圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明實施例1所得釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的室溫吸收光譜圖。
【具體實施方式】
[0026] 實施例1
[0027] 1)將準(zhǔn)備好的原料0.5at. %Nd3+，5at. % Y3+: SiF2單晶（以坩堝下降法生長，產(chǎn)地為 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，為現(xiàn)有產(chǎn)品，以下相現(xiàn))加工成尺寸為36 X 5 X 3_標(biāo)準(zhǔn)長方 體試樣(或稱樣品）。
[0028] 2)將單晶試樣放入圓柱體石墨模具中，樣品與模具之間用雙層石墨紙隔離，以減 小樣品與石墨模具之間的摩擦力，再將裝有單晶的模具放入真空熱壓爐中。
[0029] 3)當(dāng)真空度達(dá)到9 X l(T3pa以下時，開始加熱，至1050°C時，保溫20min，開始沿晶體 生長方向加壓，壓力為0.4-0.9t，待達(dá)到一定形變時，停止加壓，關(guān)閉真空熱壓爐程序。
[0030] 4)待爐溫冷卻至室溫時，取出樣品，對鍛造后的樣品進(jìn)行雙面打磨、拋光處理，得 到釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷。
[0031] 本實施例所得釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷測得其致密度>99.9%，透光率>80%，本 實施例所得釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷的XRD圖見圖1，從圖中可以看出，單晶樣品晶面有兩 個取向，沿生長方向鍛壓后，原來的晶面被破壞，（111)對應(yīng)的衍射峰減弱甚至消失，（311) 對應(yīng)的衍射峰發(fā)生減弱和偏移，同時出現(xiàn)(220)、（400)和(331)的衍射峰。上述現(xiàn)象都充分 說明了單晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了很明顯的變化，晶格參數(shù)發(fā)生變化，熱鍛使得原始晶面被破壞， 形成了缺陷結(jié)構(gòu)。圖2為本實施例所得產(chǎn)品的形貌圖，可以清晰的看到樣品下面的文字，圖3 是所得產(chǎn)品的透過率圖，最大透過率達(dá)到86%，圖4是所得樣品的吸收光譜圖，其在796nm處 有很強(qiáng)的吸收峰和較寬的吸收帶寬，有利于激光的栗浦。表1為本發(fā)明實施例1所得釹釔摻 雜氟化鍶激光陶瓷的部分機(jī)械性能的測試結(jié)果。可以看到所得產(chǎn)品的機(jī)械性能均比單晶有 所提尚。
[0032] 實施例2
[0033] 1)將準(zhǔn)備好的原料0.5at. %Nd3+，5at. % Y3+: SiF2單晶加工成尺寸為36 X 5 X 3mm標(biāo) 準(zhǔn)長方體試樣(或稱樣品）。
[0034] 2)將單晶試樣放入圓柱體石墨模具中，樣品與模具之間用雙層石墨紙隔離，以減 小樣品與石墨模具之間的摩擦力，再將裝有單晶的模具放入真空熱壓爐中。
[0035] 3)當(dāng)真空度達(dá)到9 X l(T3pa以下時，開始加熱，至1050°C時，保溫lOmin，開始沿垂直 于晶體生長方向加壓，壓力為0.4-0.9t，待達(dá)到一定形變時，停止加壓，關(guān)閉真空熱壓爐程 序。
[0036] 4)待爐溫冷卻至室溫時，取出樣品，對鍛造后的樣品進(jìn)行雙面打磨、拋光處理，得 到釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷。
[0037] 本實施例所得釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷測得其致密度>99.9%，透光率>80%，本 實施例所得釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷的XRD圖見圖1，從圖中可以看出，沿垂直于生長方向 鍛壓后，（111)對應(yīng)的衍射峰完全消失，（220)的衍射峰更強(qiáng)，（311)對應(yīng)的衍射峰減弱。上述 現(xiàn)象都充分說明了單晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了很明顯的變化，晶格參數(shù)發(fā)生變化，熱鍛使得原始 晶面被破壞，形成了缺陷結(jié)構(gòu)，并且沿著垂直于生長方向鍛壓時，這種缺陷會更加明顯。其 在796nm處有很強(qiáng)的吸收峰和較寬的吸收帶寬，有利于激光的栗浦。
[0038] 實施例3
[0039] 1)將準(zhǔn)備好的原料0.5at. %Nd3+，5at. % Y3+: SiF2單晶加工成尺寸為36 X 5 X 3mm標(biāo) 準(zhǔn)長方體試樣(或稱樣品）。
[0040] 2)將單晶試樣放入圓柱體石墨模具中，樣品與模具之間用雙層石墨紙隔離，以減 小樣品與石墨模具之間的摩擦力，再將裝有單晶的模具放入真空熱壓爐中。
[0041 ] 3)當(dāng)真空度達(dá)到9 X l(T3pa以下時，開始加熱，至950°C時，保溫15min，開始沿垂直 于晶體生長方向加壓，壓力為0.4-0.9t，待達(dá)到一定形變時，停止加壓，關(guān)閉真空熱壓爐程 序。
[0042] 4)待爐溫冷卻至室溫時，取出樣品，對鍛造后的樣品進(jìn)行雙面打磨、拋光處理，得 到釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷。
[0043]本實施例所得釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷測得其致密度>99.9%，透光率>80%，其 在796nm處有很強(qiáng)的吸收峰和較寬的吸收帶寬，有利于激光的栗浦。
[0044] 實施例4
[0045] 1)將準(zhǔn)備好的原料0.5at. %Nd3+，5at. % Y3+: SiF2單晶加工成尺寸為36 X 5 X 3mm標(biāo) 準(zhǔn)長方體試樣。
[0046] 2)將單晶試樣放入圓柱體石墨模具中，樣品與模具之間用雙層石墨紙隔離，以減 小樣品與石墨模具之間的摩擦力，再將裝有單晶的模具放入真空熱壓爐中。
[0047] 3)當(dāng)真空度達(dá)到9 X l(T3pa以下時，開始加熱，至950°C時，保溫lOmin，開始沿晶體 生長方向加壓，壓力為0.4-0.9t，待達(dá)到一定形變時，停止加壓，關(guān)閉真空熱壓爐程序。 [0048] 4)待爐溫冷卻至室溫時，取出樣品，對鍛造后的樣品進(jìn)行雙面打磨、拋光處理，得 到釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷。
[0049] 本實施例所得釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷測得其致密度>99.9%，透光率>80%，其 在796nm處有很強(qiáng)的吸收峰和較寬的吸收帶寬，有利于激光的栗浦。
[0050] 表1為本發(fā)明實施例1所得釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的部分機(jī)械性能的測試 結(jié)果。
[0051] 表 1
[0052]
[0053」 實施例5
[0054] 與實施例1-4中的一種基本相同，不同之處在于：步驟1)中的試樣尺寸為6 X 6 X 4mm或5 X 5 X 9mm。所得釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷的性能與對應(yīng)的實施例相一致。
[0055] 實施例6
[0056]與實施例1-4中的一種基本相同，不同之處在于:步驟3)中開始加熱，至1200°C時， 保溫30min。所得釹釔摻雜氟化鍶激光陶瓷的性能與對應(yīng)的實施例相近。
【主權(quán)項】
1. 一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 將準(zhǔn)備好的原料0.5at. %Nd3+，5at. % Y3+: SiF2單晶加工成試樣； 2) 將步驟1)的試樣放入圓柱體石墨模具中，試樣與模具之間用雙層石墨紙隔離，再將 裝有試樣的模具放入真空熱壓爐中； 3) 將樣品加熱至900-1200°C，保溫10_30min，然后沿固定方向進(jìn)行熱鍛處理，得到樣 品； 4) 待爐溫冷卻至室溫時，取出樣品，對熱鍛后的樣品進(jìn)行打磨、拋光處理，得到釹釔摻 雜氟化鍶激光透明陶瓷。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于， 步驟1)中試樣的尺寸分別為36 X 5 X 3mm、6 X 6 X 4mm、5 X 5 X 9mm標(biāo)準(zhǔn)長方體。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于， 步驟3)中沿固定方向進(jìn)行熱鍛處理為:分別沿晶體生長方向或垂直于晶體生長方向鍛壓。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于， 步驟3)將樣品加熱至1050 °C，保溫1 Omin。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于， 步驟3)中的壓力為0 · 4t-0 · 9t，鍛壓時間為10-15min。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釹釔摻雜氟化鍶激光透明陶瓷的制備方法，其特征在于， 步驟3)中的真空度為9 X l(T3pa以下。
【文檔編號】C04B35/553GK105837215SQ201610255717
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】宋京紅, 秦少勇, 梅炳初, 李威威, 易果強(qiáng)
【申請人】武漢理工大學(xué)