一种M:YAG-Al制造技术

本发明专利技术公开了一种M:YAG‑Al

【技术实现步骤摘要】
一种M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷及其制备方法
本专利技术属于先进功能透明陶瓷领域，具体涉及一种M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷及其制备方法。
技术介绍
钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)透明陶瓷因其具有成本低、稀土离子高浓度掺杂、易于实现复合结构制备等优点逐渐成为YAG单晶的替代品，可作为固体激光器、磷光体和闪烁体的主体材料。YAG透明陶瓷的烧结制备方法多种各样，例如放电等离子体烧结、真空烧结和热等静压烧结等。为了保证烧结过程，高质量的纳米级原料粉末(例如高纯度、无团聚体)、高压和高烧结温度等是必不可少的。以上要求一方面用以消除陶瓷体中的光散射中心(残留气孔和第二相)；另一方面，与微米级(晶粒尺寸)透明陶瓷相比，由于瑞利光散射被大大削弱，纳米晶透明陶瓷的霍尔-帕奇效应也将显著增强透明陶瓷的机械性能。因此，纳米晶透明陶瓷是大势所趋。然而，由于在高的烧结温度下晶粒会快速生长，使用常规的烧结技术实现纳米晶透明陶瓷仍然是一个巨大的挑战。例如，文献1(R.Dy3+-dopedY3Al5O12transparentceramicforhighefficiencyultravioletexcitedsingle-phasewhite-emittingphosphor,J.Am.Chem.Soc.102(2019)3510-3516.)在10-3Pa真空条件下使用Al2O3(200nm)和Y2O3、Dy2O3(80nm)超细粉在1780℃下烧结8h制备的Dy:YAG透明陶瓷，其晶粒尺寸仍达到数十微米。>目前，从熔融凝固玻璃中完全结晶化已被认为是合成完全致密透明陶瓷的一种有效方法。M.Allix教授课题组(文献2-4，EnhancedTransparencythroughSecondPhaseCrystallizationinBaAl4O7ScintillatingCeramics,Cryst.GrowthDes.16(2016)386-395.；Transparencythroughstructuraldisorderanewconceptforinnovativetransparentceramics,Chem.Mater.27(2015)508-514.；LocaldisorderandtunableluminescenceinSr1-x/2Al2-xSixO4(0.2≤x≤0.5)transparentceramics,Inorg.Chem.56(2017)14446-14458.)通过无压玻璃结晶的方法成功地制备了一系列微米级的全结晶化的透明陶瓷，包括铝酸盐、硅铝酸盐等。然而，大尺寸玻璃完全结晶化合成的纳米晶透明陶瓷所需的工艺是十分苛刻的。例如，硅酸盐石榴石在制备时需要超高外压，制备的LaAlO3/t-ZrO2纳米陶瓷在800nm处的透过率仅为55％，远低于理论透过率。截止到目前为止，实际可用的、达到光学及机械性能要求的纳米晶透明YAG陶瓷没法直接实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷，其为纳米层状结构，具有高的光学质量。本专利技术的目的之二是提供上述M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷的制备方法，能实现透明陶瓷纳米晶。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷，所述透明陶瓷为包括完全结晶化的M:YAG纳米晶和包裹在M:YAG纳米晶外的Al2O3薄层的复相结构，其基质组成为下式所示的组分：(100-x)Al2O3-(x)Y2O3其中x的取值范围为30≤x≤35，氧化钇多少用来控制层状结构的厚度，M为掺杂的可以在近红外及中红外波段发光的稀土离子或过渡金属离子。优选的，所述M:YAG纳米晶的晶粒尺寸为25～32nm，晶粒外层包裹Al2O3层，厚度为2～5nm。优选的，掺杂离子M选自Cr3+、Nd3+、Yb3+和Tm3+离子的一种或多种。优选的，掺杂离子M占YAG中Al的摩尔浓度为0.01～1％，或者掺杂离子M占YAG中Y的摩尔浓度为0.01～1％。本专利技术提供的上述一种YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷的制备方法，具体步骤如下：(1)配料：按照化学式(100-x)Al2O3-(x)Y2O3中Al和Y的化学计量比以及M的掺杂浓度，分别称取原料氧化铝、氧化钇和含M氧化物；(2)球磨：将步骤(1)中的原料进行湿法球磨，得到混合均匀的浆料；(3)干燥煅烧：将步骤(2)中混合均匀的浆料进行干燥，干燥后置于马弗炉中煅烧；(4)激光熔融玻璃化：将步骤(3)中煅烧后的粉末压制成块材或片状，并置于一定气氛或真空状下采用高功率激光装置加热，升温速率200～300℃/min，加热温度为2000～2050℃，加热时间为20～30s，然后关闭激光器，以100-200℃/s速度降至室温；(5)加工：取出步骤(4)中得到的透明玻璃材料，将其研磨抛光成圆盘状，其密度约为3.5～3.8g/cm3；(6)退火陶瓷化：将步骤(5)中的圆盘玻璃材料进行退火晶化，退火温度为945～955℃，升温速率为25～40℃/min，保温时间为1～3h，退火气氛依据选择的M离子目标价态进行选择；随炉降温到室温后，即得到纳米层状复合透明陶瓷。优选的，步骤(2)中所述湿法球磨的具体步骤是：将原料粉体依次放入球磨罐中，磨球选用高纯氧化铝球，球料比为2～5：1，同时加入球磨介质，进行行星式球磨，球磨转速为120～300r/min，球磨时间为12～18小时。更优选的，所述球磨介质为无水乙醇；无水乙醇与原料粉体总质量比为1：1～2。优选的，步骤(3)中所述煅烧温度为700～900℃，时间为3-8小时。优选的，步骤(6)中所述退火气氛选自氮气、氩气、氢气、氧气、空气中的一种或多种。对混合氧化物玻璃熔块加热，加热析晶温度应高于纯YAG结晶温度(约940℃)，M:YAG先从玻璃体系中大量成核，随后氧化铝再析出，以层状形式包裹在成核体YAG表面。薄的氧化铝层限制了YAG晶粒间的融合长大，即该体系存在自限制效应导致晶粒生长停止。M:YAG纳米级晶粒被Al2O3薄层包裹，通过控制基质组成中Al2O3与Y2O3的相对含量来控制层状结构的厚度。同时，上述组成配方具有高的结晶激活能和延滞性，其加热速率不影响成核数量，玻璃析晶过程遵守三维晶体生长的体积成核原则，即其结晶机理为三维晶体生长的体积成核成长。玻璃相转为陶瓷可以完全致密，气孔率为0，无玻璃相存在。再者，由于M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷晶粒小，所以其机械强度高、光散射效应弱。然而，由于YAG与Al2O3双相间的折射率差异，导致该纳米陶瓷在可见光波段透过率差。但在近红外及中红外区，因波长远远大于晶粒尺寸，透过率几乎没有任何差异，可以达到理论值。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术所制备的纳米层状复合透明陶瓷为包含完全结晶化的YAG纳米晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种M:YAG-Al

【技术特征摘要】
1.一种M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷，其特征在于，所述透明陶瓷为包括完全结晶化的M:YAG纳米晶和包裹在M:YAG纳米晶外的Al2O3薄层的复相结构，其基质组成为下式所示的组分：
(100-x)Al2O3-(x)Y2O3
其中x的取值范围为30≤x≤35，M为掺杂的可以在近红外及中红外波段发光的稀土离子或过渡金属离子。


2.根据权利要求1所述的一种M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷，其特征在于，所述M:YAG纳米晶的晶粒尺寸为25～32nm，所述Al2O3薄层的厚度为2～5nm。


3.根据权利要求1所述的一种M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷，其特征在于，掺杂离子M选自Cr3+、Nd3+、Yb3+和Tm3+离子的一种或多种。


4.根据权利要求1或3所述的一种M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷，其特征在于，掺杂离子M占YAG中Al的摩尔浓度为0.01～1％，或者掺杂离子M占YAG中Y的摩尔浓度为0.01～1％。


5.一种权利要求1至4任一项所述的M:YAG-Al2O3纳米层状复合透明陶瓷的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)配料：按照化学式(100-x)Al2O3-(x)Y2O3中Al和Y的化学计量比以及M的掺杂浓度，分别称取原料氧化铝、氧化钇和含M氧化物；
(2)球磨：将步骤(1)中的原料粉体进行湿法球磨，得到混合均匀的浆料；
(3)干燥煅烧：将步骤(2)中混合均匀的浆料进行干燥，干燥后置于马弗炉中煅烧；
(4)激光熔融玻...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐，单迎双，陈东顺，邵岑，康健，李明，周天元，李延彬，陈浩，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32