專(zhuān)利名稱(chēng)：陶瓷聚光腔材料、陶瓷聚光腔及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及固體激光器用聚光腔特別是一種陶瓷聚光腔材料及陶瓷聚光腔的制造方法，同時(shí)涉及陶瓷聚光腔本身。
美國(guó)專(zhuān)利(Pat4858243)報(bào)道了泵浦聚光腔的制造方法，所用的材料是云母，這是一種由55％的晶相和45％的玻璃相構(gòu)成的玻璃陶瓷聚光腔。這種材料的主要特點(diǎn)是可以采用機(jī)加工的方法直接把材料加工不同形狀聚光腔，免去了陶瓷工藝需要將材料預(yù)先制造出所需要的形狀后，燒結(jié)和加工。但是其反射率比較低，在激光吸收帶內(nèi)，最高反射率值小于90％，不能滿(mǎn)足聚光腔對(duì)材料高反射率的使用要求。
氧化鋁陶瓷是一種用途極為廣泛的的工程陶瓷，可以用于集成電路基片、坩堝、耐磨部件、真空絕緣管殼、高溫結(jié)構(gòu)材料等。但通常在上述領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，主要是利用其優(yōu)良的機(jī)械性能和電學(xué)性能，材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)不能充分滿(mǎn)足光學(xué)性能的要求，因而阻礙了其他優(yōu)異性能的發(fā)揮。
美國(guó)專(zhuān)利(Pat4802186)報(bào)道了陶瓷泵浦聚光腔的制造方法，方法中采用純度99.7％，顆粒尺寸0.45μm氧化鋁粉料，成型后在1400℃下燒結(jié)，用這種方法制成的陶瓷聚光腔可以獲得96.8％的反射率，但由于聚光腔燒結(jié)溫度低，燒結(jié)密度只能達(dá)到其理論密度的78％，這種陶瓷材料結(jié)構(gòu)比較疏松，瓷體表面粗糙，氣孔率高，在實(shí)際使用過(guò)程中，陶瓷表面將吸附雜質(zhì)，不易清洗，導(dǎo)致聚光腔反射率下降，另外疏松結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致聚光腔抗強(qiáng)激光輻照性能差，陶瓷腔會(huì)產(chǎn)生掉渣、顆粒剝落，無(wú)法滿(mǎn)足大功率激光器使用要求。本發(fā)明旨在提供一種通過(guò)添加適量的燒結(jié)助劑和激活劑，對(duì)氧化鋁配方組成的改進(jìn)，保持氧化鋁陶瓷優(yōu)良機(jī)電性能的同時(shí)，使其該聚光腔可用于各種固體激光器。
本發(fā)明另一目的是采用上述材料制成的陶瓷聚光腔，這種陶瓷聚光腔可廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型的固體激光器。
本發(fā)明還提供了一種陶瓷聚光腔的制造方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種陶瓷聚光腔材料，它包括氧化鋁粉、燒結(jié)助劑和激活劑，其成份(重量百分比)為所述氧化鋁粉為92.6-93.7％，其余為燒結(jié)助劑和激活劑。
所述燒結(jié)助劑為(占總量的重量百分比)碳酸鈣0-1.40％，氧化硅為1.9-4.88％，氧化鎂為0-1.26％，所述激活劑為氧化釔，占總量的1.96-2.53％。
所述碳酸鈣和所述氧化鎂均為分析純?cè)噭鲅趸悶楣I(yè)熒光級(jí)。
所述氧化鋁粉為α相，純度大于或等于99.7％，粒度D50為0.6μm；所述氧化硅的純度大于或等于99.5％，粒度D50為1.2μm；所述氧化釔的純度大于或等于99.5％。
本發(fā)明還可以采用以下技術(shù)方案一種陶瓷聚光腔材料，其特點(diǎn)為該組合物由摻雜激活劑的氧化鋁粉與燒結(jié)助劑組成，其中，所述摻雜激活劑的氧化鋁粉為95-98.1重量份，燒結(jié)助劑為1.9-5重量份；所述摻雜在氧化鋁粉中的激活劑為稀土氧化物。
所述稀土氧化物為氧化釔，在92.6-93.7重量份氧化鋁粉中，所述燒結(jié)助劑為碳酸鈣0-1.40重量份，氧化硅為1.9-4.88重量份，氧化鎂為0-1.26重量份，氧化釔為1.96-2.53重量份。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明同時(shí)提供了利用上述任一種陶瓷聚光腔材料制造陶瓷聚光腔的方法，其特點(diǎn)為它包括如下步驟1)將氧化鋁粉與激活劑稀土氧化物混合均勻后煅燒成固溶體；2)將步驟1)得到的固溶體與燒結(jié)助劑混合均勻；3)將步驟2)的混合物成型為生坯；4)將步驟3)成型的生坯置于高溫下燒結(jié)后成陶瓷聚光腔。
上述的陶瓷聚光腔材料制造陶瓷聚光腔的方法，其特征在于步驟1)所述激活劑為氧化釔，在92.6-93.7重量份氧化鋁粉中，氧化釔為1.96-2.53重量份，所述煅燒溫度為1200-1240℃，保溫時(shí)間為60分鐘，所述固溶體為三氧化二鋁和三氧化二釔化合物；步驟2)所述燒結(jié)助劑內(nèi)含有碳酸鈣為0-1.40重量份，氧化硅為1.9-4.88重量份，氧化鎂為0-1.26重量份，上述的陶瓷聚光腔材料組合物制造陶瓷聚光腔的方法，其特點(diǎn)為所述步驟3)的成型生坯方法為冷壓、注漿、凝膠注、等靜壓等方法，其中等靜壓方法成型壓力為100-200Mpa，保壓時(shí)間為1-3分鐘；所述步驟4)生坯的燒結(jié)溫度在1540-1570℃，保溫時(shí)間90分鐘。
本發(fā)明還提供了利用上述材料與方法制造的一種陶瓷聚光腔，其特點(diǎn)為其由摻雜激活劑的氧化鋁粉95.06-95.73重量份與燒結(jié)助劑4.26-4.89重量份燒結(jié)而成，其中所述燒結(jié)助劑內(nèi)含有碳酸鈣0-1.4重量份，氧化硅1.9-4.88重量份，氧化鎂0-1.26重量份，所述摻雜激活劑的氧化鋁粉為1.96-2.53重量份氧化釔與92.6-93.7重量份的氧化鋁粉經(jīng)混合煅燒而得的固溶體。
本發(fā)明采用上述設(shè)計(jì)，具有如下技術(shù)效果及優(yōu)點(diǎn)按照本發(fā)明制成的陶瓷聚光腔，其密度約為理論密度的95％，材料在固體激光器有效吸收帶內(nèi)實(shí)際反射率＞98％，(500nm-1000nm)其測(cè)試數(shù)值要高于美國(guó)專(zhuān)利(Pat4802186)所報(bào)道的結(jié)果。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)

圖1-圖4。
經(jīng)過(guò)改性的氧化鋁陶瓷反射腔具有較高機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性好、耐腐蝕，由于材料燒結(jié)密度高，使用中聚光腔反射面可耐高強(qiáng)激光輻照，留存的污垢也便于清潔。本發(fā)明所指的聚光腔可以通過(guò)多種方法成型，制作成本要低于金屬和玻璃聚光腔；陶瓷聚光腔是處于以漫反射為主的工作狀態(tài)下，所以泵浦均勻，可提高激光光束的質(zhì)量。
實(shí)施例中，所用碳酸鈣和氧化鎂均為分析純?cè)噭?，所用氧化鋁粉為α相，純度大于等于99.7％，粒度D50為0.6μm；氧化硅的純度大于或等于99.5％，粒度D50為1.2μm；氧化釔的純度大于或等于99.5％。
實(shí)施例中，生坯與燒結(jié)工藝，均采用常規(guī)方法，根據(jù)聚光腔形狀尺寸的不同需要，經(jīng)過(guò)等靜壓、凝澆注、注漿方法成型出各種形狀的生坯，如矩形截面、圓形截面、橢圓形截面等等，最后把這些生坯置放于高溫爐中內(nèi)燒結(jié)，使其在具有高的反射率同時(shí)，保持較高的機(jī)械強(qiáng)度。
實(shí)施例中所采用牌號(hào)為CT-3000的氧化鋁粉。
實(shí)施例一微晶氧化鋁粉186.2克與氧化釔3.92克，在球磨機(jī)上混合球磨12小時(shí)后，放入剛玉坩堝，在1200℃下煅燒，保溫60分鐘，把上述煅燒后的粉料190.1克與氧化硅8.4克和氧化鎂1.38克再進(jìn)行混合球磨，得到聚光腔用的陶瓷粉料。
性能測(cè)試取混合后的原料200克，加入濃度為4％的聚乙烯醇水溶液15ML，攪拌后過(guò)40目篩造粒。把造粒粉放置在鋼模具中，在100MPa壓力下，成型出直徑60mm，厚度5mm的圓片，最后把圓片放入硅鉬棒爐中，在1540℃下燒結(jié)，保溫時(shí)間90分鐘。
用排水法測(cè)定試樣的體積密度，得到的體積密度為3.58g/cm3，相對(duì)密度為95.3％；用分光光度計(jì)積分球方法測(cè)定試樣的反射率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1，反射率為98-99％(500-1000nm)。
實(shí)施例二微晶氧化鋁粉187.4克與氧化釔3.92克，在球磨機(jī)上混合球磨12小時(shí)后，放入剛玉坩堝，在1240℃下煅燒，保溫60分鐘，把上述煅燒后的粉料191.3克與氧化鈣2.86克、氧化硅3.86克和氧化鎂1.92克再進(jìn)行混合球磨，得到聚光腔用的陶瓷粉料。
性能測(cè)試取混合后的原料，加入濃度為4％的聚乙烯醇水溶液15ML，攪拌后過(guò)40目篩造粒。把造粒粉放置在鋼模具中，在100MPa壓力下，成型出直徑60mm，厚度5mm的圓片，最后把圓片放入硅鉬棒爐中，在1570℃下燒結(jié)，保溫時(shí)間60分鐘。用排水法測(cè)定試樣的體積密度，得到的體積密度為3.48g/cm3，相對(duì)密度為95.6％；用分光光度計(jì)積分球方法測(cè)定試樣的反射率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2，反射率為98.5-99％(700-1000nm)。
實(shí)施例三微晶氧化鋁粉186.4克與氧化釔5.06克，在球磨機(jī)上混合球磨12小時(shí)后，放入剛玉坩堝，在1220℃下煅燒，保溫60分鐘，把上述煅燒后的粉料191.46克與氧化鈣0.78克、氧化硅5.32克和氧化鎂2.58克再進(jìn)行混合球磨，得到聚光腔用的陶瓷粉料。性能測(cè)試取混合后的原料，加入濃度為4％的聚乙烯醇水溶液15ML，攪拌后過(guò)40目篩造粒。把造粒粉放置在鋼模具中，在100MPa壓力下，成型出直徑60mm，厚度5mm的圓片，最后把圓片放入硅鉬棒爐中，在1560℃下燒結(jié)，保溫時(shí)間70分鐘。用排水法測(cè)定試樣的體積密度，得到的體積密度為3.54g/cm3，相對(duì)密度為95.1％；用分光光度計(jì)積分球方法測(cè)定試樣的反射率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3，反射率為98.4-99％，(600-1200nm)。
實(shí)施例四微晶氧化鋁粉185.2克與氧化釔5.06克，在球磨機(jī)上混合球磨12小時(shí)后，放入剛玉坩堝，在1230℃下煅燒，保溫60分鐘，把上述煅燒后的粉料190.26克與氧化硅9.76克再進(jìn)行混合球磨，得到聚光腔用的陶瓷粉料。
性能測(cè)試取混合后的原料，加入濃度為4％的聚乙烯醇水溶液15ML，攪拌后過(guò)40目篩造粒。把造粒粉放置在鋼模具中，在100MPa壓力下，成型出直徑60mm，厚度5mm的圓片，最后把圓片放入硅鉬棒爐中，在1550℃下燒結(jié)，保溫時(shí)間80分鐘。用排水法測(cè)定試樣的體積密度，得到的體積密度為3.49g/cm3，相對(duì)密度為95.7％；用分光光度計(jì)積分球方法測(cè)定試樣的反射率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3，反射率為98.4-98.9％(600-1300nm)。
實(shí)施例五如實(shí)施例一所述的化學(xué)組成配比和工藝步驟，制造出聚光腔用的陶瓷粉料，把上述粉料裝入橡膠模具中，采用等靜壓方法，壓力為100Mpa，保壓時(shí)間3分鐘后成型出陶瓷毛坯，然后用車(chē)床對(duì)毛坯進(jìn)行適當(dāng)整形，最后將毛坯放入高溫硅鉬棒爐里，在1540℃下燒結(jié)，保溫時(shí)間90分鐘，得到陶瓷聚光腔。
用與實(shí)施例一相同的方法進(jìn)行性能測(cè)試，這種陶瓷聚光腔的體積密度為3.42g/cm3。相對(duì)密度達(dá)到93.6％。采用這種陶瓷聚光腔，脈沖激光輸出效率為3.1％，連續(xù)激光輸出效率為2.8％。
實(shí)施例六如實(shí)施例二所述的化學(xué)組成配比和工藝步驟，制造出聚光腔用的陶瓷粉料。采用凝膠注工藝方法，成型出陶瓷毛坯。實(shí)施的方法如下在500克上述粉料中分別加入羥甲基丙烯酰胺12.95克，亞甲基雙丙烯酰胺2.59克，聚丙烯酸胺7毫升，水100毫升然后放在球磨機(jī)上混合24小時(shí)；把混合后所得到的泥漿再分別加入10％濃度的過(guò)硫酸銨溶液1.7毫升，四甲基乙二胺0.5毫升，攪拌均勻后倒入成型模具并放入溫度為60℃烘箱中，時(shí)間25分鐘。
從烘箱已經(jīng)固化的陶瓷聚光腔毛坯然后用車(chē)床對(duì)毛坯進(jìn)行適當(dāng)整形，最后將毛坯放入高溫硅鉬棒爐里，在1570℃下燒結(jié)，保溫時(shí)間60分鐘，得到陶瓷聚光腔。
用與實(shí)施例一相同的方法進(jìn)行性能測(cè)試，這種陶瓷聚光腔的體積密度為3.50g/cm3。相對(duì)密度達(dá)到95％。采用這種陶瓷聚光腔，用在YAG激光器上的總體激光效率提高了15％。
實(shí)施例七如實(shí)施例三所述的化學(xué)組成配比和工藝步驟，制造出聚光腔用的陶瓷粉料。采用凝膠注工藝方法，成型出陶瓷毛坯。實(shí)施的方法如下在500克上述粉料中分別加入羥甲基丙烯酰胺12.95克，亞甲基雙丙烯酰胺2.59克，聚丙烯酸胺7毫升，水100毫升然后放在球磨機(jī)上混合24小時(shí)；把混合后所得到的泥漿再分別加入10％濃度的過(guò)硫酸銨溶液1.7毫升，四甲基乙二胺0.5毫升，攪拌均勻后倒入成型模具并放入溫度為60℃烘箱中，時(shí)間25分鐘。
從烘箱已經(jīng)固化的陶瓷聚光腔毛坯。然后用車(chē)床對(duì)毛坯進(jìn)行適當(dāng)整形，最后將毛坯放入高溫硅鉬棒爐里，在1560℃下燒結(jié)，保溫時(shí)間70分鐘，得到陶瓷聚光腔。
用與實(shí)施例一相同的方法進(jìn)行性能測(cè)試，這種陶瓷聚光腔的體積密度為3.45g/cm3。相對(duì)密度達(dá)到94％。采用這種陶瓷聚光腔，用在YAG激光器上的總體激光效率提高了14.7％。
實(shí)施例八如實(shí)施例四所述的化學(xué)組成配比和工藝步驟，制造出聚光腔用的陶瓷粉料。采用凝膠注工藝方法，成型出陶瓷毛坯。實(shí)施的方法如下在500克上述粉料中分別加入羥甲基丙烯酰胺12.95克，亞甲基雙丙烯酰胺2.59克，聚丙烯酸胺7毫升，水100毫升然后放在球磨機(jī)上混合24小時(shí)；把混合后所得到的泥漿再分別加入10％濃度的過(guò)硫酸銨溶液1.7毫升，四甲基乙二胺0.5毫升，攪拌均勻后倒入成型模具并放入溫度為60℃烘箱中，時(shí)間25分鐘。
從烘箱已經(jīng)固化的陶瓷聚光腔毛坯。然后用車(chē)床對(duì)毛坯進(jìn)行適當(dāng)整形，最后將毛坯放入高溫硅鉬棒爐里，在1550℃下燒結(jié)，保溫時(shí)間80分鐘，得到陶瓷聚光腔。
用與實(shí)施例一相同的方法進(jìn)行性能測(cè)試，這種陶瓷聚光腔的體積密度為3.47g/cm3。相對(duì)密度達(dá)到94.5％。采用這種陶瓷聚光腔，用在YAG激光器上的總體激光效率提高了14.9％。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷聚光腔材料，其特征在于它包括氧化鋁粉、燒結(jié)助劑和激活劑，其成份(重量百分比)為所述氧化鋁粉為92.6-93.7％，其余為燒結(jié)助劑和激活劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷聚光腔材料，其特征在于所述燒結(jié)助劑為(占總量的重量百分比)碳酸鈣0-1.40％，氧化硅為1.9-4.88％，氧化鎂為0-1.26％，所述激活劑為氧化釔，占總量的1.96-2.53％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶瓷聚光腔材料，其特征在于所述碳酸鈣和所述氧化鎂均為分析純?cè)噭?，所述氧化釔為工業(yè)熒光級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷聚光腔材料，其特征在于所述氧化鋁粉為α相，純度大于或等于99.7％，粒度D50為0.6μm；所述氧化硅的純度大于或等于99.5％，粒度D50為1.2μm；所述氧化釔的純度大于或等于99.5％。
5.一種陶瓷聚光腔材料，其特征在于由摻雜激活劑的氧化鋁粉與燒結(jié)助劑組成，其中，所述摻雜激活劑的氧化鋁粉為95-98.1重量份，燒結(jié)助劑為1.9-5重量份；所述摻雜在氧化鋁粉中的激活劑為稀土氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的陶瓷聚光腔材料，其特征在于所述稀土氧化物為氧化釔，在92.6-93.7重量份氧化鋁粉中，所述燒結(jié)助劑為碳酸鈣0-1.40重量份，氧化硅為1.9-4.88重量份，氧化鎂為0-1.26重量份，氧化釔為1.96-2.53重量份。
7.一種權(quán)利要求1-6任一所述陶瓷聚光腔材料制造陶瓷聚光腔的方法，其特征在于它包括如下步驟1)將氧化鋁粉與激活劑稀土氧化物混合均勻后煅燒成固溶體；2)將步驟1)得到的固溶體與燒結(jié)助劑混合均勻；3)將步驟2)的混合物成型為生坯；4)將步驟3)成型的生坯置于高溫下燒結(jié)后成陶瓷聚光腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陶瓷聚光腔材料制造陶瓷聚光腔的方法，其特征在于步驟1)所述激活劑為氧化釔，在92.6-93.7重量份氧化鋁粉中，氧化釔為1.96-2.53重量份，所述煅燒溫度為1200-1240℃，保溫時(shí)間為60分鐘，所述固溶體為三氧化二鋁和三氧化二釔化合物；步驟2)所述燒結(jié)助劑內(nèi)含有碳酸鈣為0-1.40重量份，氧化硅為1.9-4.88重量份，氧化鎂為0-1.26重量份。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的陶瓷聚光腔材料制造陶瓷聚光腔的方法，其特征在于所述步驟3)的成型生坯方法為冷壓、注漿、凝膠注、等靜壓等方法，其中等靜壓方法成型壓力為100-200Mpa，保壓時(shí)間為1-3分鐘；所述步驟4)生坯的燒結(jié)溫度在1540-1570℃，保溫時(shí)間90分鐘。
10.一種陶瓷聚光腔，其特征在于由摻雜激活劑的氧化鋁粉95.06-95.73重量份與燒結(jié)助劑4.26-4.89重量份燒結(jié)而成，其中所述燒結(jié)助劑內(nèi)含有碳酸鈣0-1.4重量份，氧化硅1.9-4.88重量份，氧化鎂0-1.26重量份，所述摻雜激活劑的氧化鋁粉由1.96-2.53重量份氧化釔與92.6-93.7重量份的氧化鋁粉經(jīng)混合煅燒而得的固溶體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種陶瓷聚光腔材料，由摻雜激活劑的氧化鋁粉與燒結(jié)助劑組成，其中，所述摻雜激活劑的氧化鋁粉為95.06－95.73重量份，燒結(jié)助劑為4.26－4.89重量份；所述摻雜在氧化鋁粉中的激活劑為稀土氧化物；本發(fā)明同時(shí)公開(kāi)了用上述材料制造陶瓷聚光腔的方法以及陶瓷聚光腔，主要是通過(guò)添加激活劑，對(duì)氧化鋁改進(jìn)，之后再與燒結(jié)助劑混合、制生坯、燒結(jié)成型。用本發(fā)明提供的聚光腔，相對(duì)密度高，既保持氧化鋁陶瓷優(yōu)良機(jī)電性能，同時(shí)具有較高反射率，使其該可用于各種固體激光器。
文檔編號(hào)H01S3/093GK1419322SQ02159468
公開(kāi)日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者彭建中, 鄭元善, 張洪波 申請(qǐng)人:中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院