振动辅助热压烧结YAG陶瓷的研究

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1064 nm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0.53 μm、0.58μm、0.76 μm、0.82 μm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，1.064 μm和1.318 μm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4 h，200 MPa的情况下获得了晶粒尺寸为2-3 μm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30 nm左右的Nd：YAG粉体，采用4000 MPa以上超高压烧结，烧结后的晶粒尺寸仅为30-50 nm，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1.0 at%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，AGILENT CARY60），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190～2500 nm。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VHP工艺制备的Nd：YAG样品，样品无渗碳现象，透明度高。

图3中可看出在1064 nm处，Nd：YAG样品透光率超过70%，而且特征峰明显，峰强大，有利于激光性能的提高。

为研究样品的显微结构和微区成分，对其作电子探针检测。

图4和图5为Nd：YAG样品抛光后经过1420℃、2 h热腐蚀表面的EPMA形貌及EDS分析。Nd：YAG样品晶粒均匀清晰，晶界上无白色异物。对晶粒和晶界做电子探针微区分析，各自成分见表1。晶粒晶界的成分基本一致，晶界处Si与Nd的含量略高一些。Si作为烧结助剂与晶粒表面物质形成液相后更多地在晶界中起到致密化作用。钇铝石榴石的晶格相对稳固，Nd作为取代元素融入晶格内是一个缓慢的过程，因此会有一些残留的Nd与Si等一起存在于晶界之中。

图6为Nd：YAG样品断口SEM图片，图中YAG晶粒结合紧密，晶粒尺寸大致为2～5 μm，晶界薄而清晰，无气孔，保证了其较高的透光率。

4 结论

（1）采用振动辅助热压烧结法制备Nd：YAG透明陶瓷，可以明显降低陶瓷的烧成压力和温度，样品的晶粒均匀细小，没有杂相形成。

（2）液相法制备的Nd：YAG原料活性高，烧结性能好。当用BN包裹样品烧结后，样品无渗碳现象，在1064 nm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。

参考文献

[1] 潘裕柏，李江，姜本学. 先进光功能透明陶瓷. [M].北京：科学出版社，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] 冯斌. 振动辅助热压烧结AlN和YAG陶瓷的研究[D].华南理工大学，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] 冯斌，李小燕，刘桔英，周耀.共沉淀法制備钇铝石榴石纳米粉体[J].材料研究与应用，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.