不同方法制备钇铝石榴石(YAG)基透明陶瓷的研究及探索

摘要

钇铝石榴石(YAG)基透明陶瓷因其优异的物理化学性质，在激光、闪烁等领域备受关注。用氧化钇和氧化铝为原料，经过球磨混合，采用反应烧结来制备YAG透明陶瓷是一种比较常用的方法。其中，球磨工艺对陶瓷的显微结构和光学质量有很重要的影响，而现今对于相应球磨参数的系统研究却很少。另外，市售的氧化物原料粉体，尤其是氧化钇粉体的颗粒通常比较大，导致YAG的物相形成温度较高。因此，系统研究球磨过程中的几个参数，以及更换原料粉体以期降低YAG形成温度和改善粉体烧结性能是很有重要的。
　　实验采用高纯氧化钇和氧化铝以及氧化钕商业粉体，添加TEOS和MgO为烧结助剂，用真空反应烧结工艺制备了Nd∶YAG透明陶瓷，并系统研究球磨时间和球磨转速对后续陶瓷各项性能的影响。实验结果表明，随着球磨时间的增加，陶瓷的透明度逐渐提升，在球磨时间为12h时，陶瓷样品的透过率达到最高值，在1064nm处透过率可达83％（接近理论值）。分析Nd∶YAG陶瓷的致密化过程发现，相同条件下，球磨时间长的样品的致密度趋向于更高。对于Nd∶YAG透明陶瓷微结构的分析表明，在相同烧结条件下，陶瓷样品的气孔数量及尺寸基本随着球磨时间的增加而减少或减小。球磨转速对Nd∶YAG透明陶瓷透过率、致密化过程和显微结构的演化的规律与球磨时间相似。当球磨转速为130rpm时Nd∶YAG陶瓷的透过率达到最高，在1064nm处可达83％左右。转速继续提高，Nd∶YAG陶瓷透过率下降。过高的球磨转速引入了过量的氧化铝，形成了富铝第二相，影响陶瓷样品的透过率。
　　同样，使用高纯氧化物粉体为原料及真空反应烧结工艺制备了Ce∶YAG透明陶瓷，并重点研究了球磨助剂（无水乙醇）加入量对陶瓷透过率及显微结构的影响。实验结果表明，以60g粉料为标准，乙醇加入量为27～41mL（即粉料∶磨球∶乙醇=1∶3∶1.46～2.22）范围内时，Ce∶YAG陶瓷透过率都比较高。在乙醇加入量为34mL（粉料∶磨球∶乙醇=1∶3∶1.76）时，样品在530nm处的透过率为82％。对陶瓷显微结构的分析表明，随着乙醇加入量的增加，Ce∶YAG陶瓷的气孔先减少后增加，晶粒尺寸随着球磨助剂加入量的增加而减小。乙醇加入量为34mL所得的Ce∶YAG陶瓷样品的色坐标为(0.3955，0.4877)，在偏黄绿色区域，色温为4265K，显色指数为55.5。
　　本文中尝试两种更换原料的方式配合真空反应烧结的方法来制备YAG透明陶瓷。一是用异丙醇铝与氧化钇为原料进行反应烧结制备YAG透明陶瓷;二是用沉淀所得钇前驱体与氧化铝粉体为原料进行反应烧结制备YAG透明陶瓷。对第一种方案的探索发现，用去离子水为球磨助剂比乙醇为球磨助剂效果更好，经1760℃×50h真空反应烧结后YAG陶瓷的直线透过率可达70％。对第二种方案的探索发现，在Y3+在pH值较低时就已沉淀完全，pH值越高，沉淀前驱体越容易形成片状，不利于后续成型和烧结。前驱体YAG物相形成开始温度为1200℃，完成转相在1500℃左右，但仍残余少量YAP相。在1775℃×30h真空反应烧结后，YAG陶瓷的透过率可达50％以上。虽然已对这两种实验方案的一些工艺进行了的改善，但两种方案实验结果离预期还相差较大，还需进一步改善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 透明陶瓷的发展与应用

1．2．1 照明用透明陶瓷

1．2．2 透明装甲陶瓷

1．2．3 高折射指数透明陶瓷

1．2．4 透明红外陶瓷

1．2．5 激光陶瓷

1．2．6 闪烁陶瓷

1．3 陶瓷的透明性原理

1．4 影响透明陶瓷的透明性的主要因素

1．4．1 材料量体结构的选择

1．4．2 原料粉体的影响

1．4．3 成型工艺的影响

1．4．4 烧结工艺的影响

1．4．5 退火工艺

1．4．6 表面加工光洁度

1．5 YAG透明陶瓷

1．5．1 YAG的结构和基本物理性质

1．5．2 YAG陶瓷的制备方法

1．6 本课题的提出和研究意义

第二章 实验原料及测试手段

2．1 引言

2．2 实验原料及化学试剂

2．3 实验设备

2．4 实验测试手段

2．4．1 粉体粒度分析

2．4．2 粉体比表面积分析

2．4．3 化学分析

2．4．4 场发射扫描电子显微镜粉体及陶瓷腐蚀表面形貌分析

2．4．5 X射线衍射物相分析

2．4．6 电子探针

2．4．7 热分析

2．4．8 密度分析

2．4．9 能谱成分分析

2．4．10 分光光度计透过率分析

2．4．11 光致发光光谱

2．4．12 色温色坐标

第三章 氧化物粉体为原料制备Nb：YAG透明陶瓷

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 球磨时间及球磨转速对陶瓷透过率及致密化的影响

3．3．1 商业原料粉体的形貌及粒度表征

3．3．2 不同时间球磨后的混合粉体形貌和粒度表征

3．3．3 球磨时间对陶瓷透过率的影响

3．3．4 球磨时间对陶瓷致密化的影响

3．3．5 球量时问对陶瓷结构演化的影响

3．3．6 不同球磨转速处理后的混合粉体形貌

3．3．7 球磨转速对陶瓷透过率的影响

3．3．8 球磨转速对陶瓷致密化的影响

3．3．9 球磨转速对陶瓷微结构演化的影响

3．4 本章小结

第四章 氧化物粉体为原料制备Ce：YAG透明陶瓷

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 球磨助剂(无水乙醇)加入量对于粉体破碎程度和均匀性的影响

4．4 球磨助剂加入量对陶瓷透过率的影响

4．5 不同球磨助剂加入量对所得陶瓷微结构的影响

4．6 Ce：YAG透明陶瓷的发光特性

4．7 本章小结

第五章 两种“新型”方法制备YAG透明陶瓷

5．1 引言

5．2 异丙醇铝、氧化钇混合粉体为原料制备YAG透明陶瓷

5．2．1 实验过程

5．2．2 不同球磨助剂(乙醇和去离子水)对陶瓷性能的影响

5．2．3 存在问题及改进建议

5．3 以钇前驱体和氧化铝混合粉体为原料制备YAG透明陶瓷

5．3．1 实验过程

5．3．2 pH值对于粉体形貌的影响

5．3．3 不同煅烧沮度下的粉体物相分析

5．3．4 不同烧结温度对于陶瓷性能的影响

5．3．5 存在问题及改进意见

5．4 本章小结

第六章 全文总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表主要论文