氧化钇透明陶瓷的制备及光学性能研究

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高光学质量的透明陶瓷在激光、军事和医疗等诸多领域应用广泛,其中氧化钇透明陶瓷以其优异的物理与化学性能备受关注。大量科研人员采用方法简单、成本小、合成粉体活性高的沉淀法制备氧化钇透明陶瓷。但是沉淀法也面临着一些难题,如批次稳定性不强、合成粉体易团聚以及陶瓷的光学质量难以保证等,因此有必要对沉淀法制备透明陶瓷过程中粉体合成和陶瓷烧结等阶段的内在机理进行深入剖析,并对一些关键参数进行优化。论文主要研究工作如下:首先,提出了基于四斜叶搅拌的前驱体与氧化钇粉体沉淀制备方法,创新性地研究了沉淀过程中搅拌桨形状对溶液反应均匀性、前驱体形貌以及氧化钇粉体分散性和烧结活性的影响规律。ANSYS分析结果表明,使用四斜叶式搅拌桨搅拌时,反应溶液的流型为轴流式,循环效果与剪切效果均明显优于其他类型搅拌桨,同时提高了前驱体与粉体的分散性和粒径均一性。制备的氧化钇粉体平均粒径为142.8nm,粉体粒径分布均匀,且烧结活性良好。其次,研究了现有氧化钇透明陶瓷烧结后陶瓷体发黄问题的内在机理。通过分析发现由于在沉淀法前期引入大量的(NH42SO4分散剂,最终陶瓷内部残余大量含硫杂质导致陶瓷体发黄。在此基础上,优化了分散剂添加量与配比,通过减少(NH42SO4含量,同时引入适量的PEG4000,将(NH42SO4静电斥力作用与PEG4000长分子链的空间位阻作用相结合,从而提高了氧化钇粉体的分散性,氧化钇陶瓷的发黄现象得以改善。然后,为了解决氧化钇透明陶瓷烧结后透过率较低的问题,通过优化烧结助剂掺杂量,对烧结阶段的陶瓷致密化行为进行了调控。通过掺杂3.0 at.%的Zr4+离子,氧化钇陶瓷的致密化速率得到了有效的控制,陶瓷内部的气孔基本排除干净,最终陶瓷的光学质量获得了很大提升,氧化钇透明陶瓷(样品厚度为1.0mm)在800nm处的透过率达到80.1%,在1000nm后的透过率更是超过了82%,十分接近氧化钇的理论透过率。最终,为了进一步探索氧化钇透明陶瓷在激光方面的的功能性应用,通过向陶瓷中掺入一定量的Er3+离子,制备出7.0 at.%Er:Y2O3透明陶瓷,样品的吸收系数达到6.0cm-1,在2700nm处的透过率高于82%,散射点少,光学质量优异。
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