共沉淀法合成Yb：YAG纳米粉体及透明陶瓷的制备

摘要

与YAG单晶体相比，YAG多晶透明陶瓷可以满足制备大功率激光器所需的大尺寸和更高掺杂浓度的要求，在军事和民用领域具有良好的应用前景，并成为近年来陶瓷材料研究热点。本文采用共沉淀法制备Yb∶YAG纳米粉体，并以二氧化硅作为烧结助剂，通过干压和冷等静压成型，经高温真空烧结成Yb∶YAG透明陶瓷。并采用XRD、SEM、TEM、TG-DTA、TMA、BET等检测手段对粉体和陶瓷成分及显微组织进行了系统分析。 在YAG透明陶瓷制备过程中通常加入二氧化硅，以促进烧结致密化，提高陶瓷的光学透过率。关于二氧化硅的影响机制，学术界存在两种观点:一种观点认为陶瓷烧结时，二氧化硅在1390℃熔化产生液相，因而改变陶瓷的烧结机制为液相烧结，促进烧结致密化;另一种观点认为YAG为化学计量比化合物，成分的稍微偏离会导致在陶瓷中形成杂相，杂相会导致YAG陶瓷的光学性能下降，二氧化硅的加入可以增大YAG相形成的成分范围，即增大稀土离子在YAG中的固溶度。因此采用共沉淀法制备YAG纳米粉，在滴定过程中加入一定量的正硅酸乙酯(TEOS)。发现: SiO2的添加有效地增大了稀土离子在YAG相中的固溶度，促进YAG相生成。但当SiO2的用量过量时，粉体中出现YAM相;添加SiO2助剂的粉体煅烧后，其颗粒尺寸均大于未添加SiO2助剂的粉体颗粒尺寸，说明二氧化硅的添加有助于粉体颗粒长大;二氧化硅助剂的加入提高了陶瓷的密度，但过量的二氧化硅会在陶瓷中产生杂相，二氧化硅适宜的添加量为0.3％;前驱体粉体煅烧温度是影响粉体烧结性能的重要因素。对于添加二氧化硅助剂的粉体，最适宜的煅烧温度为1300℃。 二氧化硅烧结助剂以共沉淀的方式加入前驱沉淀物中时，Si4+分布在颗粒内部，烧结时可能起不到液相烧结的作用。因此提出将二氧化硅烧结助剂包覆在YAG颗粒表面，在粉体颗粒表面形成一层薄的二氧化硅包覆层。烧结时，二氧化硅烧结助剂形成的液相分布在颗粒之间，促进烧结致密化。结果表明:经二氧化硅包覆后的YAG粉体颗粒表面形成非晶态的包覆层;经1500℃煅烧后，由于SiO2膜对X射线的阻挡作用，YAG的衍射峰强度随着二氧化硅助剂包覆量的增加而逐渐减弱;二氧化硅以包覆的形式加入Yb∶YAG粉体可以促进Yb∶YAG透明陶瓷的烧结，热膨胀试验表明坯体的收缩速率都随二氧化硅包覆量的增加而明显增大;并且与以共沉淀方式加入烧结助剂相比，真空烧结后陶瓷的透过率明显提高。 Y/Al偏离化学计量比会影响陶瓷的透过率，为此研究了Y/Al偏离化学计量比对粉体和陶瓷物相及组织的影响。研究表明:Al组分过量导致粉体和陶瓷中出现Al2O3相，严重影响陶瓷的光学性能;Y组分过量约2.0 at％时，YAG粉体为纯相，陶瓷具有较好的显微组织。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1透明陶瓷概述

1．1．1透明陶瓷的发展

1．1．2透明陶瓷的分类及应用

1．2 YAG透明陶瓷

1．2．1 YAG的结构和性能

1．2．2 YAG单晶的合成及其局限性

1．2．3 YAG透明陶瓷的制备优势

1．2．4 YAG中的稀土元素掺杂

1．3 YAG透明陶瓷的制备方法

1．3．1 YAG粉体的合成工艺

1．3．2 YAG粉体的成型工艺

1．3．3 YAG透明陶瓷的烧结工艺

1．4烧结助剂

1．5该课题研究的内容和意义

2．1实验原料

2．2主要实验设备

2．3实验流程

2．3．1共沉淀法制备YAG粉体

2．3．2粉体成型

2．3．3坯体烧结

2．3．4样品处理

2．4性能表征

2．4．1 X射线衍射(XRD)分析

2．4．2扫描电镜(SEM)分析

2．4．3密度测试

2．4．4热分析(TG／DTA)

2．4．5热膨胀(TMA)分析

2．4．6透射电镜(TEM)分析

2．4．7 BET比表面积分析

2．4．8等离子体发射光谱(ICP-AES)分析

第3章二氧化硅助剂在YAG粉体及陶瓷制备中的影响机制研究

3．1 YAG粉体物相分析

3．1．1二氧化硅的添加量对YAG粉体物相的影响

3．1．2煅烧温度对YAG粉体物相的影响

3．2比表面积分析

3．2．1二氧化硅的添加量对粉体比表面积的影响

3．2．2煅烧温度对粉体比表面积的影响

3．3粉体形貌分析

3．3．1二氧化硅的添加量量对粉体形貌和粒径的影响

3．3．2煅烧温度对粉体形貌和粒径的影响

3．4陶瓷密度分析

3．4．1二氧化硅的添加量对YAG陶瓷密度的影响

3．4．2煅烧温度对致密化的影响

3．5二氧化硅助剂对陶瓷显微组织的影响

3．6本章小结

第4章二氧化硅包覆YAG粉体及透明陶瓷的制备

4．1问题的提出

4．2实验过程

4．2．1 YAG粉体制备

4．3结果与讨论

4．3．1煅烧温度的确定

4．3．2二氧化硅的包覆量对YAG粉体物相的影响

4．3．3 TG-DTA分析

4．3．4 YAG粉体的形貌和粒径分析

4．3．5 TEM分析

4．3．6二氧化硅包覆量对YAG粉体对粉体烧结性能的影响

4．3．6透过率分析

4．4本章小结

第5章成分偏析对Yb：YAG粉体和陶瓷物相及显微组织的影响机制研究

5．1引言

5．2实验过程

5．3结果与讨论

5．3．1成分偏析对YAG粉体物相的影响

5．3．2成分偏析对YAG陶瓷显微结构的影响

5．3．3密度分析

5．4本章小结

第六章结论

参考文献

致谢