光电功能透明陶瓷及其应用

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1、万方数据·46·光电功能透明陶瓷及其应用兰国政(中国科学院福建物质结构研究所，福建福州350002)摘要：透明畸瓷作为一种新型光电功能材料，近年来得到国内外材料学界的很大关注．相关的基础研究与技术开发均取得一定的突破，使之有可能在将来成为部分传统光学单晶的替代材料．在激光、光通讯、光显示等领域得到广泛应用。关键词：透明陶瓷；光电功能1引言传统的光电功能材料是晶体或玻璃，它们的共同特点是对光的吸收或散射弱。光电晶体光谱性能较优．缺点是制备难度较大、周期长、成本高；与晶体相比，玻璃材料容易制备．成本低廉，但其光电性能一般而言相

2、对较差。近年来，透明陶瓷作为新型光电功能材料受到国际上广泛关注，是功能材料的研究热点之一。早在二十世纪六十年代，科学家就发现一些致密透明的多晶陶瓷材料在某些光学性能上与同材质单晶材料相近．甚至可以取代单晶材料。透明陶瓷不仅具有成本低、尺寸大、可制作成异型材料的优点，而且稀土掺杂量可以远高于单晶体，若发展为激光材料．可以最大限度地提高泵浦效率和增大激光输出功率。日本的lkesue等人⋯1于1995年成功研制出掺Nd的YAG激光陶瓷，其透光性、荧光寿命、荧光发射等光谱性能与Nd：YAG单晶接近，而掺入的Nd浓度可眈单晶的高十倍

3、；现在该材料的激光性能已达到甚至超过YAG单晶的水平(激光二极管阵列泵浦直径8毫米、长203毫米的透明Nd：YAG陶瓷，可获得1．42kW的连续激光输出【2】)，有望用于工业化、大批量生产的微片激光器，形成了激光材料研究的新领域。2透明陶瓷的制备工艺高的透光性是光电功能陶瓷的基本要求。理论研究表明。当光通过某一介质时，由于介质的吸收、散射和折射等作用而使其强度衰减；对于透明陶瓷而言，这种衰减除了与材料的化学组成有关外，主要取决于材料的显微组织结构。若入射光的强度为10，试样的厚度为t，试样对光的反射率为r．则在忽略多次反射

4、效应时，透过试样的光强度I为【3】：I=Io(1一r)2exp[一2(口+Sim+Sop)t](1)其中，a为线收缩系数，Sim为散射系数。Sop为光在不连续界面上(如晶界等)的散射系数。从上式可知，要获得高的透光率．必须使a、Sim、Sop各个系数都尽可能小或趋于零。因此透明陶瓷应该尽量减少气孔和晶界层这样的吸收中心和散射中心．同时还应是单相的、由均质晶体组成，并具有较高的表面光洁度。透明陶瓷的制备过程包括嗣粉、成型、烧结及机械加工等。要获得透光性能良好的陶瓷材料，首先要制备粒度均匀、化学纯度高、分散性好的粉体。目前粉体

5、制备技术主要有以下两种：固相反应法和前驱体湿化学法。固相反应法通常是将原料在高温固相反应后，再经过球磨粉碎。它的弊端在于合成温度高，粒径分布宽。前驱体湿化学法是通过液相化学方法，如溶胶一凝胶法、共沉淀法等，得到一定成分的无机盐或者有机络合物。然后经煅烧。获得性能良好的粉体。除此之外，一些新的陶瓷粉体制备工艺也得到不断的发展，如等离子体法、激光气相法等。万方数据化学工程与装备2008年第1期·47·将粒度分布均匀的粉体进行成型的方法有很多，其中常用的包括泥浆浇注、热塑泥浆压铸、挤压成型、干压成型及等静压成型等。透明陶瓷的烧结

6、工艺有多种，主要包括：热压烧结、热等静压烧结、真空烧结、常压烧结以及各种气氛烧结、微波烧结和放电等离子体烧结等。3激光透明陶瓷第一块激光陶瓷材料是Dy+：CaW2．于1964年由Hatch等人通过真空热压烧结制成【4J，其光谱与光学性能和单晶CaV2的相近。1973年，由Greskovich等人【5】5研制成功第一块氧化物激光陶瓷棒(直径为80mm，长度达110ram)，它的组分是89％Y203—10％Th03—1％Nd203，其中Th02是烧结辅助荆，通过等静压成型后于氢气气氛中在2170℃烧结形成，其性能与掺Nd玻璃激

7、光材料相近。此后一段时间。由于主要光学性能不及单晶和玻璃材料，多晶陶瓷激光材料的研究一度降温。1995，透明激光陶瓷材料研究取得了突破性的进展，Ikesue等人研制成功Nd3+：Y3A15012(Nd：YAG)透明陶瓷．并在该材料上首次获得功率达70mW的激光输出⋯。1996年至1999年，他们还系统研究了掺钕量、等静压或热压工艺、光散射中心、气孔率等对Nd：YAG陶瓷显微结构和激光性能的影响[6-8】。研究表明，YAG陶瓷的掺钕量可高达4．8t001％，当掺钕量为2．4m01％时荧光强度最大，其激光性能比掺0．9t001

8、％Nd的YAG单晶好。从1999年起，Lu等人[2，9—11】通过湿化学方法制备了高质量的Nd：YAG粉料，并解决了陶瓷的烧结问题；铡备的陶瓷颗粒边界窄、气孔极小(10-6数量级)，其吸收光谱、发射光谱、荧光寿命等性能几乎与单晶材料一致，激光输出功率达317mW。此后，研究者着力于在不降低材料光学质量的