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二十一世纪是光电子时代、信息时代,透明陶瓷材料在工业、勘探、医疗、军事等领域将发挥更大的作用。立方相结构的氧化钇透明陶瓷具有优异的物理化学性能,作为激光基质材料、窗口材料和闪烁材料受到了广泛关注。在激光应用方面,随着激光器向高功率、小型化和多功能化的方向发展,对激光材料提出了越来越高的要求。而晶体材料和玻璃材料很难满足大尺寸、高掺杂并且具有可设计性等苛刻要求。氧化钇透明陶瓷作为激光基质,仅次于YAG透明陶瓷,可实现高能激光输出。而且氧化钇组分简单、热导率高,是飞秒激光器的候选基质材料,成为最近人们研究的热点之一。在20世纪末,日本科学家制备了高质量的Nd:Y2O3和Yb:Y2O3材料,获得激光输出。但是由于氧化钇透明陶瓷在粉体制备、成型、烧结致密化等环节存在一系列难点,限制了其在激光方面的进一步应用。
本文研究和优化了氧化钇透明陶瓷材料的制备工艺和性能。采用共沉淀和冷冻干燥的方法制备了具有珊瑚状结构的氧化钇纳米粉体,并优化了粉体制备工艺。以氨水为沉淀剂,以硝酸钇溶液作为母液,加入适量硫酸铵,得到共沉淀前驱体,煅烧后得到具有高分散性和较高烧结活性的粉体,一次粒径在70nm左右,适合透明氧化钇陶瓷的烧结。在此基础上分析了透明陶瓷的制备对粉体的要求。首次制备了理想状态的(单分散单尺寸)粉体并用于透明陶瓷烧结。利用尿素共沉淀法,在微波炉中快速加热硝酸钇母液,反应后制备出具有单分散、单一尺寸的纳米氧化钇粉体,颗粒尺寸在60nm左右。干压后成型体堆积紧密、结构均匀,无明显大于粉体尺寸的空隙存在,有利于气孔的排除和致密化。该粉体压制的素坯在无添加剂作用下即可烧结氧化钇透明。
采用流延成型方法设计并制备了具有稀土离子梯度掺杂的氧化钇透明陶瓷。选择Orotan731A作为分散剂,有效改善了氧化钇粉体的分散性。配制固含量达到49vol％的浆料,然后加入DM765乳液作为粘结剂,最后流延成膜。首次将氧化钇粉体流延成膜,并将掺杂有不同含量Yb的氧化钇流延膜进行设计和叠层,通过脱粘和二次冷等静压等方法成型,烧结制备了具有梯度掺杂的氧化钇透明陶瓷。
采用二次烧结结合真空烧结方法,低温长时间保温可使陶瓷素坯密度达90%以上,然后在1700℃真空中烧结6小时,制备出掺镧氧化钇透明陶瓷,其透过率达到77%。首次提出在氧气气氛中烧结制备透明氧化钇陶瓷。分析了透明陶瓷烧结的机理,并成功在氧气气氛中烧结得到氧化钇透明陶瓷。烧结温度在1650℃左右,晶粒尺寸在21μm左右。并且可以在更低的温度下制备出纳米半透明氧化钇陶瓷。
吸收光谱研究表明,Nd3+La3+:Y2O3透明陶瓷样品在主吸收峰821nm处的吸收截面为4.3×10-24m2,主荧光发射峰位于1078nm处,实测荧光寿命为0.287ms。通过F-L公式计算得到2.0%Nd,3.0%La:Y2O3透明陶瓷中Nd3+的4F3/2→4I11/2跃迁对应的受激发射截面为2.0×10-24 m2。结果表明,La离子的掺入可以调节氧化钇透明陶瓷的晶体场,有助于制备符合实际需求的固体激光器材料。
Yb3+,La3+:Y2O3样品在978nm区域的最大吸收截面为4.02×10-25m2,而在泵浦源940nm处的吸收截面为3.52×10-25m2。其最高发射截面位于1030nm处,大小为2.20×10-24m2。荧光寿命为0.942ms,有望实现激光输出。