振動輔助熱壓燒結(jié)YAG陶瓷的研究

馮斌 余有根 李儒強 廖健坤

摘 要：在普通熱壓燒結(jié)（HP）的基礎(chǔ)上，加上由精確控制的壓力脈動系統(tǒng)產(chǎn)生的振動，在激振力的輔助下使得陶瓷在高溫下的蠕變得到充分利用，可以明顯降低陶瓷的燒成壓力和溫度，加快了不易燒結(jié)陶瓷的致密化過程。液相法制備的Nd：YAG原料活性高，燒結(jié)性能好。采取高純BN包埋法，消除了樣品滲碳現(xiàn)象，透光率明顯提高，在1064 nm處，透光率超過70%，而且特征峰明顯，峰強大，有利于激光性能的提高。

關(guān)鍵詞：振動輔助熱壓燒結(jié);YAG陶瓷;透光率

1 前 言

釹摻雜的釔鋁石榴石（Nd：YAG）能夠制備成可產(chǎn)生激光的透明陶瓷，其在光學、熱學、機械力學等方面均具有優(yōu)良性能，在多個方面比激光玻璃優(yōu)越，所以成為近年來研究最多的激光陶瓷之一[1]。Nd：YAG晶體的激光躍遷屬于理想的四能級系統(tǒng)。處于基態(tài)的Nd3+受到0.53 μm、0.58μm、0.76 μm、0.82 μm等波長的光源輻照后，吸收這些光能躍遷到激發(fā)態(tài)。在隨后的激發(fā)態(tài)向終態(tài)的躍遷時，產(chǎn)生波長為0.946μm，1.064 μm和1.318 μm的熒光，經(jīng)振蕩，放大后就產(chǎn)生上述波長的激光輸出。與較早獲得激光應(yīng)用的Nd：YAG單晶相比，Nd：YAG透明激光陶瓷有更多更實用的特性[2]。

YAG激光透明陶瓷的制備有2個核心環(huán)節(jié)：一是高純超細的YAG粉體或混合粉體的制備，一是陶瓷的燒結(jié)。粉體制備的目標首先是獲得高純的粉料，因為微量雜質(zhì)導致的散射將明顯降低最終制品的透光率。因此，不僅Al2O3、Y2O3原料的雜質(zhì)含量要盡量低，燒結(jié)助劑的添加量也要求盡量少。但是在高純、少雜質(zhì)的條件下，制品燒結(jié)難度加大，制品微觀結(jié)構(gòu)中氣孔的存在同樣會影響透光率，因此，待燒結(jié)的粉體必須達到超細高活性的目標才能獲得高性能高致密度的YAG透明陶瓷。

為燒制出高透光率的YAG透明陶瓷，多種燒結(jié)方法得到應(yīng)用，如真空燒結(jié)、HIP熱等靜壓燒結(jié)、超高壓燒結(jié)等。目前最常用的燒結(jié)YAG透明陶瓷的方法是真空燒結(jié)。Ikesue等首次用陶瓷工藝和真空燒結(jié)技術(shù)制備了能夠?qū)崿F(xiàn)高效連續(xù)激光輸出的Nd：YAG透明陶瓷[2]。中科院上海硅酸鹽研究所也采用相同的燒結(jié)工藝制備了結(jié)構(gòu)均勻、致密、晶界干凈、無第二相的Nd：YAG透明陶瓷。熱等靜壓燒結(jié)工藝是制備YAG透明陶瓷的另一種有效方法。Lee等采用真空燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓（HIP）的工藝，當添加0.02wt%SiO2 時，在燒結(jié)溫度1675℃，保溫4 h，200 MPa的情況下獲得了晶粒尺寸為2-3 μm的Nd：YAG透明陶瓷[3]?？梢姡趶姶蟮膲毫ψ饔孟聼Y(jié)可減小燒結(jié)助劑的含量和降低燒結(jié)溫度。另一種在外力作用下燒結(jié)YAG的方法是超高壓燒結(jié)，F(xiàn)edyk等[4]通過溶膠-凝膠法得到30 nm左右的Nd：YAG粉體，采用4000 MPa以上超高壓燒結(jié)，燒結(jié)后的晶粒尺寸僅為30-50 nm，1064nm波長處透光率達到了50%左右。提高壓力對設(shè)備的要求很高，如果在高溫燒結(jié)過程中，對被燒結(jié)材料上下施加壓力的基礎(chǔ)上，加上一個可進行調(diào)頻、調(diào)幅的振動壓力ΔP，這兩種壓力疊加，就構(gòu)成了振動輔助熱壓燒結(jié)系統(tǒng)[5]。可以預期在振動輔助下熱壓燒結(jié)的Nd：YAG陶瓷材料的顆粒易于移動、重排，氣體排出也比較容易，導致迅速致密化。由于振動加速了燒結(jié)過程，晶粒尺寸長大較少，密度和透光率等會明顯提高。

振動輔助熱壓燒結(jié)設(shè)備的構(gòu)造和方法請見文獻[6]

2試驗方法

YAG透明陶瓷制備工藝流程如下圖：

采用化學共沉淀法制備了Nd摻雜量1.0 at%的Nd： YAG 粉體。我們以鋁、釔和釹的硝酸鹽為原料，PEG為分散劑， NH4HCO3為沉淀劑制備Nd： YAG的前驅(qū)體，前驅(qū)體在1000℃熱處理4h，得到了平均粒徑為50-80nm的Nd：YAG粉體[7]。該粉體與折合0.2wt% SiO2的硅溶膠以及適量的PVA溶液混合，經(jīng)過行星磨混合30min，然后干燥造粒。

振動輔助熱壓燒結(jié)的原理和設(shè)備請見文獻[6]，輔助振動的壓強幅度為±2MPa，采用的燒成制度如下：

采用紅外可見分光光度計（美國AGILENT，AGILENT CARY60），測試所制備的YAG透明陶瓷的直線透光率，樣品經(jīng)過兩面磨平和精細拋光，測試波長范圍為190～2500 nm。使用電子探針（日本島津，EPMA-1600）測試分析Nd：YAG透明陶瓷的表面形貌和微區(qū)成分，樣品拋光后，經(jīng)1420℃熱腐蝕。采用掃描電子顯微鏡（德國Zeiss，Merlin）觀察了試樣的形貌。

3結(jié)果與討論

在熱壓燒結(jié)時，由于模具等是石墨制造的，高溫下透明陶瓷易于產(chǎn)生滲碳，滲碳的碳粒對光的吸收和散射會顯著降低透光率，使其無法用于激光領(lǐng)域。為減少甚至完全消除樣品滲碳現(xiàn)象，我們采取高純BN包裹樣品，將碳粒隔絕。圖1為包裹BN后采用VHP工藝制備的Nd：YAG樣品，樣品無滲碳現(xiàn)象，透明度高。

圖3中可看出在1064 nm處，Nd：YAG樣品透光率超過70%，而且特征峰明顯，峰強大，有利于激光性能的提高。

為研究樣品的顯微結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分，對其作電子探針檢測。

圖4和圖5為Nd：YAG樣品拋光后經(jīng)過1420℃、2 h熱腐蝕表面的EPMA形貌及EDS分析。Nd：YAG樣品晶粒均勻清晰，晶界上無白色異物。對晶粒和晶界做電子探針微區(qū)分析，各自成分見表1。晶粒晶界的成分基本一致，晶界處Si與Nd的含量略高一些。Si作為燒結(jié)助劑與晶粒表面物質(zhì)形成液相后更多地在晶界中起到致密化作用。釔鋁石榴石的晶格相對穩(wěn)固，Nd作為取代元素融入晶格內(nèi)是一個緩慢的過程，因此會有一些殘留的Nd與Si等一起存在于晶界之中。

圖6為Nd：YAG樣品斷口SEM圖片，圖中YAG晶粒結(jié)合緊密，晶粒尺寸大致為2～5 μm，晶界薄而清晰，無氣孔，保證了其較高的透光率。

4 結(jié)論

（1）采用振動輔助熱壓燒結(jié)法制備Nd：YAG透明陶瓷，可以明顯降低陶瓷的燒成壓力和溫度，樣品的晶粒均勻細小，沒有雜相形成。

（2）液相法制備的Nd：YAG原料活性高，燒結(jié)性能好。當用BN包裹樣品燒結(jié)后，樣品無滲碳現(xiàn)象，在1064 nm處，透光率超過70%，而且特征峰明顯，峰強大，有利于激光性能的提高。

參考文獻

[1] 潘裕柏，李江，姜本學. 先進光功能透明陶瓷. [M].北京：科學出版社，2013

[2] Ikesue A，KinoshitaT， KamataK， eta1. Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd：YAG ceramics for solid-state laser [J]. J Am. Ceram. Soc.， 1995，78（4）：1033-1044

[3] Lee S H， Kupp E R， Stevenson A J. Hot isostatic pressing of transparent Nd：YAG ceramic. [J]. J Am. Ceram. Soc.， 2009， 92（7）：1456-1463.

[4] Fedyk R.， Hreniak. Method of preparetion and properites of YAG nanoceramics. [J]. Opticals， 2007， 29： 1252-1257

[5] 馮斌. 振動輔助熱壓燒結(jié)AlN和YAG陶瓷的研究[D].華南理工大學，2015.

[6] Bin Feng et al. Vibration Assisted Hot‐Press Sintering of AlN Ceramics[J]. Journal of the American Ceramic Society， 2015， 98（6） ： 1711-1713.

[7] 馮斌，李小燕，劉桔英，周耀.共沉淀法制備釔鋁石榴石納米粉體[J].材料研究與應(yīng)用，2013，7（02）：82-85.

Study of Vibration Assisted Hot Press Sintering of YAG Ceramics

FENG Bin，YU You-gen，LI Ru-qiang，LIAO Jian-kun

（Foshan Ceramic Research Institute Group Co. Ltd， FoShan 528000）

Abstract： The vibration generated by the precisely controlled pressure pulsating system is cooperated with a common hot pressing sintering. The creep of ceramics at high temperature can be fully utilized with the assistance of vibration force， which can significantly reduce the sintering pressure and temperature of ceramics and accelerate the densification process of ceramics that are not easy to sinter. Nd： YAG powder prepared by liquid phase method shows high activity and good sintering performance. By using high purity BN embedding method， the carburization phenomenon of the sample is eliminated， and the light transmittance is obviously improved. At 1064 nm， the light transmittance is more than 70%， and the characteristic peak is obvious and strong， which is conducive to the improvement of laser performance.

Keywords： Vibration Assisted Hot Press Sintering;YAG ceramic; Light transmittance.