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振动辅助热压烧结YAG陶瓷的研究

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冯斌余有根李儒强廖健坤

摘要：在普通热压烧结（HP）的基础上，加上由精确控制的压力脉动系统产生的振动，在激振力的辅助下使得陶瓷在高温下的蠕变得到充分利用，可以明显降低陶瓷的烧成压力和温度，加快了不易烧结陶瓷的致密化过程。液相法制备的Nd：YAG原料活性高，烧结性能好。采取高纯BN包埋法，消除了样品渗碳现象，透光率明显提高，在1064nm处，透光率超过70%，而且特征峰明显，峰强大，有利于激光性能的提高。

关键词：振动辅助热压烧结;YAG陶瓷;透光率

1前言

钕掺杂的钇铝石榴石（Nd：YAG）能够制备成可产生激光的透明陶瓷，其在光学、热学、机械力学等方面均具有优良性能，在多个方面比激光玻璃优越，所以成为近年来研究最多的激光陶瓷之一[1]。Nd：YAG晶体的激光跃迁属于理想的四能级系统。处于基态的Nd3+受到0.53μm、0.58μm、0.76μm、0.82μm等波长的光源辐照后，吸收这些光能跃迁到激发态。在随后的激发态向终态的跃迁时，产生波长为0.946μm，1.064μm和1.318μm的荧光，经振荡，放大后就产生上述波长的激光输出。与较早获得激光应用的Nd：YAG单晶相比，Nd：YAG透明激光陶瓷有更多更实用的特性[2]。

YAG激光透明陶瓷的制备有2个核心环节：一是高纯超细的YAG粉体或混合粉体的制备，一是陶瓷的烧结。粉体制备的目标首先是获得高纯的粉料，因为微量杂质导致的散射将明显降低最终制品的透光率。因此，不仅Al2O3、Y2O3原料的杂质含量要尽量低，烧结助剂的添加量也要求尽量少。但是在高纯、少杂质的条件下，制品烧结难度加大，制品微观结构中气孔的存在同样会影响透光率，因此，待烧结的粉体必须达到超细高活性的目标才能获得高性能高致密度的YAG透明陶瓷。

为烧制出高透光率的YAG透明陶瓷，多种烧结方法得到应用，如真空烧结、HIP热等静压烧结、超高压烧结等。目前最常用的烧结YAG透明陶瓷的方法是真空烧结。Ikesue等首次用陶瓷工艺和真空烧结技术制备了能够实现高效连续激光输出的Nd：YAG透明陶瓷[2]。中科院上海硅酸盐研究所也采用相同的烧结工艺制备了结构均匀、致密、晶界干净、无第二相的Nd：YAG透明陶瓷。热等静压烧结工艺是制备YAG透明陶瓷的另一种有效方法。Lee等采用真空烧结结合热等静压（HIP）的工艺，当添加0.02wt%SiO2时，在烧结温度1675℃，保温4h，200MPa的情况下获得了晶粒尺寸为2-3μm的Nd：YAG透明陶瓷[3]。可见，在强大的压力作用下烧结可减小烧结助剂的含量和降低烧结温度。另一种在外力作用下燒结YAG的方法是超高压烧结，Fedyk等[4]通过溶胶-凝胶法得到30nm左右的Nd：YAG粉体，采用4000MPa以上超高压烧结，烧结后的晶粒尺寸仅为30-50nm，1064nm波长处透光率达到了50%左右。提高压力对设备的要求很高，如果在高温烧结过程中，对被烧结材料上下施加压力的基础上，加上一个可进行调频、调幅的振动压力ΔP，这两种压力叠加，就构成了振动辅助热压烧结系统[5]。可以预期在振动辅助下热压烧结的Nd：YAG陶瓷材料的颗粒易于移动、重排，气体排出也比较容易，导致迅速致密化。由于振动加速了烧结过程，晶粒尺寸长大较少，密度和透光率等会明显提高。

振动辅助热压烧结设备的构造和方法请见文献[6]

2试验方法

YAG透明陶瓷制备工艺流程如下图：

采用化学共沉淀法制备了Nd掺杂量1.0at%的Nd：YAG粉体。我们以铝、钇和钕的硝酸盐为原料，PEG为分散剂，NH4HCO3为沉淀剂制备Nd：YAG的前驱体，前驱体在1000℃热处理4h，得到了平均粒径为50-80nm的Nd：YAG粉体[7]。该粉体与折合0.2wt%SiO2的硅溶胶以及适量的PVA溶液混合，经过行星磨混合30min，然后干燥造粒。

振动辅助热压烧结的原理和设备请见文献[6]，辅助振动的压强幅度为±2MPa，采用的烧成制度如下：

采用红外可见分光光度计（美国AGILENT，AGILENTCARY60），测试所制备的YAG透明陶瓷的直线透光率，样品经过两面磨平和精细抛光，测试波长范围为190～2500nm。使用电子探针（日本岛津，EPMA-1600）测试分析Nd：YAG透明陶瓷的表面形貌和微区成分，样品抛光后，经1420℃热腐蚀。采用扫描电子显微镜（德国Zeiss，Merlin）观察了试样的形貌。

3结果与讨论

在热压烧结时，由于模具等是石墨制造的，高温下透明陶瓷易于产生渗碳，渗碳的碳粒对光的吸收和散射会显著降低透光率，使其无法用于激光领域。为减少甚至完全消除样品渗碳现象，我们采取高纯BN包裹样品，将碳粒隔绝。图1为包裹BN后采用