高透过率热压氧化钇透明陶瓷的增透机理和微观结构调控研究

Transparent yttria ceramics have great potential in applications of laser host and infrared window materials. However, the relatively low transmittance hinders the applications of transparent yttria ceramics. In this project, our investigation will be focused on the hot-pressed transparent yttria ceramics, their grain boundary migration behavior and microstructural evolution during the vacuum hot pressing process will be studied in order to reveal the corresponding physical and chemical mechanisms, as well as the relationship between the composition, processing parameters, residual pores, and transmittance. Furthermore, the ionic characteristic parameters of yttria, which include band gap width, lattice vibration mode, lattice vibration frequency, lattice degree of order, etc. will be studied in order to reveal their effects on the intrinsic transmittance of yttria. Based on the studies mentioned above, compositional design and microstructural tailoring will be performed for the optimization of the intrinsic transmittance and elimination of the residual pores, respectively. Therefore, the transmittance and range of transparency of the yttria transparent ceramics can be increased and widened, respectively. The implementation of this project has a great significance in promoting the development and applications of high-performance transparent yttria ceramics.

氧化钇透明陶瓷在激光基体和红外窗口方面都有着巨大的应用前景，但目前透过率偏低的问题制约了它的应用。本项目拟以热压氧化钇透明陶瓷为研究对象，首先研究热压氧化钇透明陶瓷烧结过程中的晶界迁移行为和微观结构演化规律，揭示影响晶界迁移率的物理、化学机制，建立透过率和残余气孔与组分和工艺参数的关联；再研究掺杂对氧化钇离子微观特征参数的影响，从而建立带隙宽度、晶格振动模式、振动频率、晶格有序度等离子微观特征参数与氧化钇本征透过率的关联。在上述研究基础之上，通过对掺杂组分的定向设计和微观结构的可控制备，实现优化氧化钇本征透过率和有效排除残余气孔的目的，从而提高透过率、拓宽透过范围。本项目的研究与实施对于高性能氧化钇透明陶瓷的研发与应用具有极大的科学意义和实用价值。

为满足高性能红外窗口和激光基体的应用要求，项目围绕氧化钇透明陶瓷的工艺优化、配方探索和烧结机理分析进行研究工作，开发了新型的Nd、Ta、W、Mo掺杂的氧化钇透明陶瓷体系。在此基础之上，制备了Ce、Yb、Er、Ho等稀土离子的氧化钇透明陶瓷，研究了材料的紫外线吸收、上转化发光等光学特性。.首次采用Nd2O5、Ta2O5、WO3、MoO3作为烧结助剂，制备出高透过率的氧化钇透明陶瓷，对样品的工艺和配方进行了系统性优化，全面研究了Nd、Ta掺杂氧化钇透明陶瓷的光学、力学和热学性能，证明该材料是一种高性能、低成本的高温红外窗口候选材料。.开发出具有高效的紫外线吸收作用的Ce掺杂氧化钇透明陶瓷，研究了样品中Ce离子的价态及分布，揭示了材料对紫外线吸收机制。制备了Yb、Er、Ho掺杂的氧化钇透明陶瓷、研究了样品的上转化、下转化、荧光寿命等光学性能，并对样品的硬度、韧性、热导率等热力学性能进行了分析。.分析了Nd、Ta、W、Mo等不同的施主掺杂离子及其含量对氧化钇透明陶瓷在烧结过程中晶界迁移行为的影响，研究了烧结助剂对氧化钇透明陶瓷微观结构和透过率的影响机制，为氧化钇透明陶瓷性能优化与微结构调控提供理论指导。研究结果为氧化钇透明陶瓷在光功能领域的应用奠定了一定基础。.项目研究期间发表论文11篇，项目成果对于高性氧化钇透明陶瓷材料的研发与应用具有重要的科学价值。