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Elaboration de céramiques transparentes Er YAG (synthèse de poudre par co-précipitation et frittage SPS)

机译:Er YaG透明陶瓷的制备(共沉淀和sps烧结合成粉末)

摘要

Les céramiques polycristallines transparentes de YAG (Yttrium Aluminium Garnet, Y3Al5O12) et de YAG dopé par des lanthanides (Nd, Er, Ho, etc.) ont des propriétés optiques comparables aux monocristaux et peuvent être utilisées comme milieu laser solide dans les lasers solides à haute capacité calorifique. L utilisation de ces céramiques polycristallines transparentes présente de nombreux avantages comparés aux monocristaux. Ces matériaux ont une meilleure conductivité thermique et sont fabriqués à plus faible coût tout en présentant des propriétés mécaniques améliorées et ce, sur des pièces de plus grandes dimensions. De plus, il est possible d atteindre de plus forts taux de dopage avec une répartition uniforme du dopant. Le dopage du YAG par l erbium (0.25 %at.) permet une émission laser eye-safe de 1645nm. De plus, un faible taux de dopage permet d éviter le phénomène d upconversion lors de l effet laser.Les conditions pour obtenir la transparence sont, entre autres, l absence de défauts, une très grande pureté (>99.9%), une répartition de taille de grains homogène et une densité très élevée (>99.9%).Les céramiques transparentes sont obtenues par la voie métallurgie des poudres. La synthèse par voie chimique (co-précipitation, sol-gel, voie hydrothermale ) permet la production de poudres très pures, avec une taille de particules homogène et nanométrique, comparée à la synthèse par voie mécanique (broyage d oxydes). Le frittage SPS (Spark Plasma Sintering) permet quant à lui une densification rapide, à plus basse température, empêchant ainsi une croissance excessive et anormale des grains lors de la densification. L application d un courant électrique de forte intensité associée à une charge uniaxiale permet d accélerer la cinétique de frittage comparé aux méthodes de frittage conventionelles.Ce travail porte sur l élaboration de céramiques polycristallines transparentes Er:YAG par la voie métallurgie des poudres. La synthèse de poudre est réalisée par co-précipitation inverse d une solution de nitrates dans l hydrogénocarbonate d ammonium. L influence des paramètres de synthèse tels que le pH, la concentration, le temps de maturation ou encore le cycle de calcination a été étudiée. Après optimisation des conditions de synthèse, des particules d Er:YAG pur présentant une taille moyenne de 50nm ont été obtenues. L étude des mécanismes réactionnels a été menée en associant différentes techniques de caractérisations en température telles que la spectrométrie IR, la diffraction des rayons X, ainsi que des analyses thermo-gravimétriques et différentielles. La formation de la phase YAG à 1050C passe par la formation d une phase intermédiaire, le YAP (Yttrium Aluminium Perovskite, YAlO3) à 900C.Les poudres synthétisées ont ensuite été frittées par frittage flash SPS. L étude de l influence du cycle de frittage (température, charge, rampe, maintien) sur la microstructure et son optimisation a été réalisée à partir de poudre commerciale et a permis l obtention de céramiques transparentes de diamètre 30mm et d épaisseur 3mm. Un changement d échelle a également été réalisé permettant la réalisation d échantillons de diamètre 60mm d une part, et d épaisseur 6mm d autre part
机译:YAG(钇铝石榴石,Y3Al5O12)和掺有镧系元素(Nd,Er,Ho等)的YAG透明多晶陶瓷具有可与单晶媲美的光学性能,可用作固态激光器中的固态激光介质。高热容量。与单晶相比,使用这些透明多晶陶瓷具有许多优势。这些材料具有更好的导热性,并且以较低的成本生产,同时在较大的零件上表现出改善的机械性能。另外,可以以均匀的掺杂剂分布实现更高的掺杂率。掺Y(0.25%at。)的YAG可使人眼安全的1645nm激光发射。此外,低掺杂率可避免激光效应期间的上转换现象,获得透明性的条件包括:无缺陷,极高的纯度(> 99.9%),分布均匀。均匀的晶粒尺寸和非常高的密度(> 99.9%)通过粉末冶金获得透明陶瓷。与通过机械途径合成(氧化物研磨)相比,通过化学途径合成(共沉淀,溶胶-凝胶,水热途径)可以生产出具有均相和纳米粒度的非常纯的粉末。 SPS(火花等离子烧结)烧结可以在较低的温度下快速致密化,从而防止了致密化过程中晶粒的过度和异常生长。与传统的烧结方法相比,施加高强度电流和单轴电荷可以加快烧结动力学,这项工作涉及通过粉末冶金方法开发透明的多晶Er:YAG陶瓷。通过使硝酸盐在碳酸氢铵中的溶液逆共沉淀来进行粉末合成。研究了诸如pH,浓度,成熟时间甚至煅烧周期等合成参数的影响。在优化合成条件之后,获得平均尺寸为50nm的纯Er:YAG颗粒。通过结合不同的温度表征技术(例如红外光谱,X射线衍射以及热重分析和差示分析)对反应机理进行了研究。 YAG相在1050°C的形成涉及中间相的形成,即900°C的YAP(钇铝钛矿,YAlO3),然后通过SPS快速烧结法烧结合成的粉末。研究了烧结周期(温度,负载,斜率,维护)对显微组织的影响及其优化过程,该方法使用市售粉末进行,并允许生产直径为30mm且厚度为3mm的透明陶瓷。还进行了比例转换,一方面可以生产直径60mm,另一方面可以生产6mm厚度的样品

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