激光透明陶瓷.doc

材料科学与工程学院 功能材料小论文

透明陶瓷的制备、性能与发展

专 业： 材料制备与加工
班 级 ： 081012C1
学 号： 0810121535
学 生 姓 名： 蒋宁

2011 年 9 月 27日

摘要：以Y（N·6O、Al（N、（NS和Nd（N为原料，NHC为沉淀剂，以TEOS作为添加剂，采取共沉淀法制备Nd：YAG前驱体分体；前驱体经过1200℃煅烧5小时后，得到分散性好，颗粒近似球形、纯YAG 立方相的Nd：YAG纳米粉体，其平均粒径约为100nm。煅烧后的粉体压制成素坯，在1700-1800℃煅烧10小时，可获得透光性良好的Nd：YAG激光透明陶瓷，YAG晶粒的平均尺寸为15μm，晶界处和晶粒内没有杂质、气孔存在，无散射中心。1.5mm厚德样晶在近红外波长为1064nm处透过率为83.5%基本接近与透明Nd：YAG晶体的理论值。
关键词：共沉淀，纳米粉体，钕掺杂钇铝石榴石，透明陶瓷。
Abstract : Neodymium-doped yttrium aluminum garnet(Nd：YAG)precursor powders were fabricated by co-precipitation method ,using Y（N·6O、Al（N、（NSand Nd（Nas raw materials, NHCas precipitator, TEOS as sintering additive. After calcining the Nd：YAG precursor at 1200℃ for 5h, the well dispersive, spherical pure cubic YAG nano-powders with average particle size of about 100nm were obtained. Subsequently, calcined powders were molded by cold isostatic presses. Transparent ceramics of excellent transmission were obtained by sintering Nd：YAG green body at 1700-1800℃ for 10h in vacuum. The ceramic crystal grains with average size of about 15μm appear uniformity there is no impurity and core in grain interface and inner-grain. No scattering center can be detected. The transmission of the sample with thickness of 1.5mm is 83.5% at the near infrared wavelength of 1064nm, which is very close to the theoretical value of Nd：YAG single crystal.
Key words: co-precipitation; nanopowder; Nd：YAG; transparent ceramic

透明陶瓷的制备与性能
Nd：YAG单晶具备热导率高、化学稳定性和可工性好的特性，是目前应用广泛的固体激光介质，因其收到杂质分凝系数及尺寸的限制，存在输出功率小和发光效率低等缺点，从而妨碍了单晶的应用，而透明YAG多晶陶瓷具有易制造、成本低、尺寸大、掺杂农奴高、热导率高、耐热冲击性好，可大批量生产、易实现多层和多功能的陶瓷结构等优点，可以作为一种性能优良的激光介质使用，从而可以弥补单晶作为激光工作物质的不足，是一种极有潜力的新型固体激光材料。1999年日观神岛化学公司Yanagitani研究小组采用纳米技术和真空烧结方法制备了高质量的Nd：YAG透明陶瓷，其吸收、发射和荧光寿命等光学特性与单晶几乎一致，此后透明陶瓷材料作为固体激光器基质材料得到人们广大的光柱，并得到了迅速的发展。
激光陶瓷是21世纪激光材料研究热点之一。多年来材料科学工作者试图用陶瓷作为激光工作物质，直到1995年日本首次制备出高透明的Nd：YAG陶瓷，并用LD端面泵浦获得了激光输出。Nd：YAG激光陶瓷材料在制备技术和材料性能等方面具有单晶、玻璃激光材料无可比拟的优势而受到了人们极大的关注，激光输出功率和激光效率均迅速提升。

2005年底美国达信公司的研究人眼研制的Nd：YAG陶瓷激光器获得了5KW的功率输出，持续工作时间为10秒。国内研究激光透明陶瓷的单位有中国科学院上海硅酸盐研究所、东北大学、山东大学晶体研究所、中非人工警惕研究院、四川大学、上海大学等。中国科学院上海硅酸盐研究所课题组从2000年初开始从事透明陶瓷的制备，并与2006年5月在国内首次实现了1.0at%Nd：YAG透明陶瓷的激光输出。
目前制备Nd：YAG透明陶瓷主要分为固相反应和湿化学法两大类，比较而言，湿化学法在治本大尺寸，高功率激光透明陶瓷方面，比固相反应法更具有优势。采用湿化学法制备Nd：YAG透明陶瓷，首要条件是制备性能优异的奈米粉体，其粉体的治本方法有：溶胶-凝胶法、水热法、热解法、燃烧法、和沉淀法等，这些方法各有优缺点。共沉淀法是目前制备Nd：YAG前驱体纳米粉体较为成熟工艺之一，其方法简单、成本低廉、易于控制。且制备的Nd：YAG透明陶瓷平均晶粒尺寸为15μm；晶粒中和晶界处没有杂质、气孔存在，且成分一直，无偏析现象。退货前后Nd：YAG透明陶瓷样品在1064nm处的直线透过率分别为80.7%和82.4%；在泵浦波长808nm处的吸收系数为5.21和4.45每厘米，在发射波长1063nm处的吸收系数为0.16和0.11每厘米；退货前后样品的主荧光峰均位于1064nm处，半高宽均为0.82nm且荧光寿命分别为280和258μs。
透明陶瓷的发展
透明陶瓷现多应用在工业，民用以及军事。国内国外发展水平也有不同，现在只有日本的日观神岛化学公司有激光透明陶瓷的销售权利。我国在激光透明陶瓷方面最具权威的则是中国科学院上海硅酸盐研究所的潘裕柏教授的研究组，且为我国首家制备出Nd：YAG透明陶瓷的研究组。
透明陶瓷的诞生不仅在经济上成本低廉，在军事和航天行业方面也有着突出的贡献。我们曾经在美国的科幻片中看到的激光武器，通过透明陶瓷技术的发展成熟，也慢慢的将变为现实。
现在美国所研制的Nd：YAG透明陶瓷最大输出功率可达5KW，是世界上透明陶瓷的最大输出功率。不仅如此，透明陶瓷的远程核聚变也为航天事业的点火工业有着重大的突破。我国则将用这一技术在2020年实现点火。但是Nd：YAG透明陶瓷的远程核聚变也成为不少和平爱好者们的心病，如此一来，远程控制核武器的引爆也将成为现实，不过相信科学家们会利用Nd：YAG透明陶瓷为我们全人类，做出更为有科学性，实用性的贡献。

参考文献:
潘裕柏、李江等————《高透光Nd：YAG透明陶瓷的制备与性能研究》
李江、吴玉松等————《Nd：YAG透明陶瓷透明陶瓷的制备及激光性能研究》

6