钇铝石榴石粉体及透明陶瓷的制备与性能研究

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钇铝石榴石(YAG)属于立方结构,具有优异的光学、力学和热学性能,在红外和可见波段下均有很高的透光率,被用作为激光和荧光粉的基质材料。Yb:YAG透明陶瓷可取代单晶和玻璃激光材料,具有广阔的应用前景;YAG:Ce黄色荧光粉可以与InGaN发出的蓝光结合,制备双基色白光LED,在近年来发展迅速的白光LED上应用广泛。无论是制备高光学性能的Yb:YAG透明陶瓷,还是制备YAG:Ce荧光材料,粉体性能的好坏直接影响最终产品的质量。本研究旨在探索新的YAG粉体合成技术,使粉体的合成具有工艺简单、粒度可控、分散性好及烧结活性高等优点,并且在粉体合成的基础上,对Yb:YAG透明陶瓷的制备及YAG:Ce荧光粉的荧光性能进行探索性研究。本文的主要研究内容和结果如下:(1)首次提出了合成YAG纳米粉体的硬脂酸盐熔融法。与其它湿化学方法相比,硬脂酸盐熔融法具有以下优势:首先,因所用的两种反应物硬脂酸钇和三硬脂酸铝熔点低且相似,通过直接加热熔融后搅拌即可达到原子级别的混合,从而保证了阳离子混合均匀性;其次,两种反应物均不吸附水,减轻了粉体干燥时表面水及结构水引起的表面张力和毛细管力;更重要的是,两种反应物均可直接称量,进而确保阳离子精确的化学计量比。本文采用硬脂酸盐熔融法制备了分散性良好、颗粒尺寸分布窄的YAG纳米粉体,在750 ℃较低的煅烧温度下形成了 YAG纯相,无过渡相YAM、YAP。YAG粉体经压制成型、真空烧结,可得到几乎无气孔、晶粒尺寸分布均匀的透明陶瓷。另外,采用硬脂酸盐熔融法制备的Yb:YAG纳米粉体分散性良好,经真空烧结,可获得透过率较高的陶瓷样品。(2)采用硬脂酸盐熔融法合成了[(Y1-xLux1-yCey]3Al5O12(x=0-0.5,y=0.005-0.03)黄色荧光粉。经800 ℃锻烧可得到石榴石纯相。所得YAG:Ce、(Y,Lu)AG:Ce粉体分散性良好,颗粒分布均匀。通过改变Ce3+的含量,确定了其猝灭浓度及猝灭机理,并发现发射峰随Ce3+含量的增加红移,而最强激发峰和发射峰随Lu3+含量的增加蓝移。YAG:Ce荧光粉的荧光寿命随Ce3+掺杂量的增加或锻烧温度的提高而逐渐降低;(Y,Lu)AG:Ce的荧光寿命随Lu3+含量的增加呈微弱的下降趋势。综合粉体的性能和实际应用的需要,1300 ℃煅烧所得(Y0.985Ce0.015)AG荧光粉适于在白光LED上应用。(3)采用尿素均相沉淀法制备了单分散、球形的亚微米Y2O3粉,该粉体与亚微米氧化铝粉体经固相反应法和真空烧结制备了(Y1-xYbx)AG(x=0、0.02、0.06、0.10和0.15)透明陶瓷。相比传统固相法制备的Yb:YAG陶瓷,本方法可以减少原料混合的不均匀性,降低YAG相形成温度。Yb3+掺杂量不同的Yb:YAG坯体有相似的线性收缩速率曲线,经1700℃真空烧结得到的陶瓷样品有相近的透过率,其最大光学透过率均超过80%,与Yb3+的掺杂无关。Yb3+取代Y3+时,由于Yb3+的离子半径小,容易进入YAG晶格,且Yb3+在YAG晶格中的分凝系数较大,使得高浓度Yb3+掺杂也不会发生晶界偏聚。采用自制的单分散球形A1203和Y2O3粉,通过固相反应合成了(Y1-xYbx)AG粉体,经1700℃真空烧结后,获得了光学透过率接近80%的透明陶瓷。(4)采用均相共沉淀法制备了 YAG粉体。均相共沉淀法综合了均相沉淀法和共沉淀法的优点,以尿素为沉淀剂,根据阳离子沉淀溶度积的差别,控制溶液的pH值不低于5.2,可以实现粉体中Y3+、Al3+的均匀混合,得到的前驱体颗粒分布均匀、颗粒细小,900℃煅烧时YAG纯相形成,无过渡相YAM、YAP。实验还发现硫酸铵对YAG前驱体及煆烧后的粉体的分散和阻碍颗粒异常长大起重要作用。该YAG粉体经1700 ℃真空烧结,得到透过率较高的YAG透明陶瓷。与此同时,采用均相共沉淀法可合成颗粒分布均匀、分散性好的(Y1xCex)AG(x=0.005-0.03)粉体。(Y0.995Ce0.005)AG 粉体经 1700℃真空烧结,可得到透过率较高的透明陶瓷。
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