湿化学法合成YbYAG纳米粉体及透明陶瓷的制备与性能优化论文设计

湿化学法合成 Yb:YAG 纳米粉体及透明陶瓷的制备与性能优化Fabrication and property optimization of Yb:YAG nano-powders synthesized by wet‐chemical method and transparent ceramics摘要固体激光器在工业，军事和医疗等领域具有广泛的应用前景。由基质材料和激活离子组成的激光增益介质是固体激光器的核心组成部分。钇铝石榴石（Y3Al5O12, YAG）陶瓷基质因具有热导率高，可实现激活离子的均匀掺杂，可实现大尺寸、复合结构样品的制备等特点，而成为一种极具发展前景的增益基质材料。而且激活离子 Yb3+的能级结构简单，荧光寿命长，吸收带和发射带宽，增益高，在 YAG 基质中能实现高浓度掺杂。因此，Yb:YAG 陶瓷是一种综合性能优异的高功率固体激光器用增益介质。而高性能粉体的获得对制备高质量激光陶瓷十分关键。目前，相比于最常用的固相反应法，湿化学法合成粉体时能实现在原子尺度上的混合，从而制备出纯度高、分散性好、烧结活性高的纳米粉体，这在大尺寸、高光学质量的 Yb:YAG 透明陶瓷的制备方面十分有优势。基于上述研究背景，本文采用共沉淀法合成纳米粉体，并通过真空烧结和真空预烧结合热等静压后处理（HIP）等方法制备 5at.%Yb:YAG 陶瓷。对粉体的合成和陶瓷的烧结条件进行研究，并制备出了具有一定光学质量的 5at.%Yb:YAG 透明陶瓷。主要内容如下：1) 分别以纯水和醇水（乙醇/水混合物）为沉淀剂溶液的溶剂，采用共沉淀法合成 5at.%Yb:YAG 纳米粉体。对粉体的组分，形貌和团聚程度等进行对比研究。相比于纯水溶剂制备的粉体，醇水溶剂制备的粉体具有相同的组分、更小的平均晶粒尺寸和更好的分散性。I2) 研究了煅烧温度对 5at.%Yb:YAG 粉体性能的影响。以不同温度煅烧的粉体为原料，采用真空烧结方法制备陶瓷。1100-1300 oC 煅烧的粉体均为纯的YAG 相。高煅烧温度虽然降低了粉体的烧结活性、提高了粉体的团聚程度，但同时提高了素坯的相对密度。1250 oC 煅烧粉体制备的陶瓷具有最高的直线透过率。综合考虑各项因素，选取 1250 oC 煅烧 4 h 的粉体用于后续陶瓷的制备。3) 在前期粉体优化工作的基础上，通过优化真空烧结中烧结温度和保温时间来提升 5at.%Yb:YAG 陶瓷的性能，并对直线透过率最高的陶瓷的光谱性能进行计算。1800 oC 真空烧结 50 h 制备的 5at.%Yb:YAG 透明陶瓷具有最高的直线透过率，其在 1100 nm 和 400 nm 处的值分别为 78.6%和 76.7%（陶瓷厚度为...