[发明专利]一种Mg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制备领域，涉及一种Mg助剂体系YAG基透明陶瓷的制备方法，具体涉及一种在非退火机制下基于少量Mg单助剂体真空烧结制备钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂,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，正硅酸乙酯(TEOS)是制备YAG透明陶瓷最常用的烧结助剂。这是因为高温下TEOS受热分解生成SiO₂，其会与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。

Mg助剂相对于TEOS助剂，因为Mg²⁺的离子半径与YAG晶格中六配位Al³⁺离子半径相近，具有较高的固溶度，因此其能够有效地通过空位机制，提升扩散系数，有利于陶瓷在烧结过程中气孔的排除，提升其光学质量，降低散射损耗。此外，Mg以其+2价态性质，有利于促进一些特定掺杂原子的高价态转化(如Cr³⁺→Cr⁴⁺,Yb²⁺→Yb³⁺)Mg助剂能够在相对较低的烧结温度(低于1660℃)促进YAG透明陶瓷的致密化，并能够在烧结温度1540℃和1660℃之间促进晶粒生长。在较低的致密化温度下，能够有效地扩大致密化温度区间，促进陶瓷的烧结和致密化，有利于进一步排除散射中心，结合非退火机制，能够有效地降低散射损耗，获得致密度高，光学性能优异的YAG透明陶瓷。另外Mg助剂相对于Ca助剂，由于Ca助剂在YAG晶格中的固溶度只有300～400ppm，因此容易造成偏析，加剧光学损耗。