无容器凝固-非晶晶化法制备稀土掺杂YAG透明陶瓷的基础研究

Highly transparent Y3Al5O12 garnet (YAG) ceramic doped with rare earth metals has attracted considerable attentions since it is technologically important as laser host materials. YAG ceramic possesses the superior optical, mechanical and thermal property and stability against high temperature. However, the current sintering technique give an extremely harsh requirement on powder quality, sintering equipment, control of forming and densification process, leading to the difficulty in fabricating larger YAG transparent ceramic. In this project, we proposed a new synthetic route of YAG transparent ceramic: containerless solidification (glass) - amorphous crystallization (ceramic). Firstly, the YAG melt is levitated isolatedly by using an aerodynamic levitator with CO2 laser heating. The undercooled melt under containerless condition is apt to be "frozen" to bulk glass despite of its lacking of network former. The effect of rare earth doping on YAG glass forming ability will be also investigated. Secondly, highly transparent YAG polycrystalline ceramic is obtained by full crystallization from YAG bulk glass above the glass transition temperature. The effects of heat treatment parameters (temperature, dwell time, heating rate etc.) on phase, microstructure will be analyzed, and the properties of transparent ceramic are measured and optimized. By this project, we believe that this new synthetic route would be proven to be applicable and feasible to fabricate various transparent ceramic at lower temperature. The modest condition of the new route is beneficial to obtain larger laser host materials.

稀土掺杂钇铝石榴石（YAG）透明陶瓷是重要的固体激光器用增益介质材料，具有优异的光、热、力学性能以及高温稳定性。目前YAG陶瓷的主流制备技术是粉末烧结法，要获得高透明度对原料、设备、成型和烧结工艺有极其苛刻的要求，而且存在尺寸限制等挑战。针对这个问题，本项目提出利用无容器凝固-非晶晶化法的制备YAG透明陶瓷的创新思想。首先利用无容器凝固技术解决YAG熔体玻璃形成能力弱、容易结晶的难题，使熔体在悬浮状态下深过冷进而凝固成块状玻璃基质，并研究稀土掺杂对YAG玻璃形成能力的强化机制；进而利用非晶晶化法，在较低温度（玻璃转变温度以上）晶化处理YAG玻璃即可得到高度透明的YAG陶瓷，并系统研究温度、保温时间等参数对陶瓷结构和物相的影响，阐明晶化动力学机理，优化透明陶瓷的光、热和力学性能。通过本项目研究，有望获得适合多种透明陶瓷的不同于粉末烧结法的温和工艺路线，突破现有激光增益介质材料制备技术的瓶颈。

钇铝石榴石 (YAG; Y3Al5O12)具有优异的光学、力学、热性能以及高温稳定性，稀土掺杂YAG透明材料是目前性能最好、用途最广、产量最大的固体激光器用增益介质材料，对我国国防科技具有重要战略意义，并在辐射探测闪烁体、LED等诸多领域有重要应用。目前，YAG透明材料以单晶和透明陶瓷为主，YAG单晶主要采用定向凝固技术来制备，存在晶体生长周期长、成本昂贵、尺寸和掺杂浓度难以提高等问题。YAG透明陶瓷主要采用粉末烧结方法制备，对原料、设备、成型和烧结工艺有极其苛刻的要求，比如需要高纯、高分散性的纳米粉体原料，热等静压和真空烧结等高温高压设备，晶粒在长时间高温烧结过程中容易长大。本项目提出利用凝固-非晶晶化方法制备YAG透明陶瓷的创新思想，并开展了系统研究。首先，针对YAG成分的熔体非晶形成能力差的问题，采用无容器凝固技术抑制熔体深过冷状态下的形核，获得了冷却速度对熔体凝固产物物相与结构的影响规律，进而通过调整Al2O3/Y2O3配比强化了Al2O3-Y2O3熔体的非晶形成能力，成功制备出完全非晶态、成分分布均匀的Al2O3-26mol%Y2O3块状非晶。进一步，研究了非晶基质无压条件下晶化行为，获得了晶化温度、时间对产物物相与微观结构的影响规律，最终实现了通过简单热处理（～1100℃）一步得到完全晶化的YAG基透明陶瓷。获得的YAG基透明陶瓷完全由纳米晶组成，YAG相质量分数高达77%，其余为Al2O3相，化学成分和微观结构分布高度均匀。发现该纳米复相结构中YAG晶粒周围的Al2O3少数相具有很好的缓解晶化收缩应力和抑制YAG晶粒长大的作用，YAG晶粒加热至1400℃晶粒仍能保持纳米级。YAG基透明陶瓷具有极高的透过率，在近红外和中红外波段可与YAG单晶媲美，硬度比YAG单晶和透明陶瓷高10%，Ce3+掺杂后荧光性能优异，量子效率高达87.5%。优异的光学和力学综合性能使得该新型纳米晶YAG基透明陶瓷在大功率LED、LD等领域具有重要的应用潜力。 共发表论文13 篇，SCI收录13篇，其中包括Nature Communications等；申请专利6项，包括国际专利1项，授权1项。