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凝固-非晶晶化法製備YAG基透明陶瓷研究獲進展

釔鋁石榴石(YAG)具有優異的光學、力學、熱性能以及高溫穩定性,稀土摻雜YAG透明材料是目前性能好、用途廣、產量大的固體激光器用增益介質材料,對我國國防科技具有重要戰略意義,並在輻射探測閃爍體、LED等諸多領域有重要應用。目前,YAG透明材料以單晶和透明陶瓷為主,前者主要采用定向凝固技術來製備,存在晶體生長周期長、成本昂貴、尺寸和摻雜濃度難以提高等問題。YAG透明陶瓷主要采用粉末燒結製備方法,要達到高透明度,需要充分排除陶瓷中的氣孔和雜質相,完全致密且晶界薄,對原料、設備、成型和燒結工藝有苛刻的要求,比如需要高純、高分散性的納米粉體原料、熱等靜壓和真空燒結等,晶粒在長時間高溫燒結過程中容易長大。


  中國科學院過程工程研究所研究員李建強帶領的團隊提出利用凝固-非晶晶化方法製備YAG透明陶瓷的創新思想,並開展了係統研究。針對YAG成分的熔體非晶形成能力差的問題,采用無容器凝固技術抑製熔體深過冷狀態下的形核,獲得了冷卻速度對熔體凝固產物物相與結構的影響規律,進而通過調整Al2O3/Y2O3配比強化了Al2O3-Y2O3熔體的非晶形成能力,成功製備出完全非晶態、成分分布均勻的Al2O3-26mol%Y2O3塊狀非晶。進一步,與法國國家科學中心(CNRS)研究員Mathieu Allix合作研究了非晶基質無壓條件下晶化行為,獲得了晶化溫度、時間對產物物相與微觀結構的影響規律,終實現了通過簡單熱處理(~1100℃)一步得到完全晶化的YAG基透明陶瓷。獲得的YAG基透明陶瓷完全由納米晶組成,YAG相質量分數高達77%,其餘為Al2O3相,化學成分和微觀結構分布高度均勻。發現該納米複相結構中YAG晶粒周圍的Al2O3少數相具有很好的緩解晶化收縮應力和抑製YAG晶粒長大的作用,YAG晶粒加熱至1400℃晶粒仍能保持納米級。YAG基透明陶瓷具有高的透過率,在近紅外和中紅外波段可與YAG單晶媲美,硬度比YAG單晶和透明陶瓷高10%,Ce摻雜後熒光性能優異,量子效率高達87.5%。優異的光學和力學綜合性能使得該新型納米晶YAG基透明陶瓷在大功率LED、LD等領域具有重要的應用潛力。


  這種透明陶瓷的新製備方法能很好地結合凝固和非晶晶化方法的優勢。一方麵,凝固製備塊狀非晶基質不僅快速、可成型複雜形狀和多種尺寸,而且使用普通的原料粉末即可,避免傳統粉末燒結法對高質量粉末的依賴。另一方麵,非晶晶化過程具有條件溫和、工藝簡單、產物均勻、摻雜濃度高、晶粒尺寸容易控製等特點。相關成果於3月21日發表在《自然-通訊》(Pressureless glass crystallization of transparent yttrium aluminum garnet-based nanoceramics, Nature Communications, 9, 1175 (2018), DOI:10.1038/s41467-018-03467-7)上。李建強和研究員Mathieu Allix為共同通訊作者,過程工程所博士馬曉光和副研究員李曉禹為共同作者。該研究得到了國家自然基金(Grant Nos. 51471158, 51674232等),北京市自然基金(No.2152032)和中科院“國際人才計劃”(Grant No. 2017VEA0010)等項目的支持,並已申請國際專利(PCT/CN2018/078307)。


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