一種噴槍噴涂制備yag基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種噴槍噴涂制備YAG基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的方法，采用高精度的噴槍將YAG漿料和Re:YAG漿料交替或同時(shí)噴射到一定溫度的基板上，將噴射得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)層在進(jìn)行排膠，得到復(fù)合生坯；將復(fù)合生坯冷等、素?zé)?、真空燒結(jié)、退火可得到復(fù)合結(jié)構(gòu)YAG透明陶瓷。本發(fā)明可根據(jù)實(shí)際的需要來噴射不同結(jié)構(gòu)，噴射厚度及濃度比例可控，厚度極限比流延要小，而且設(shè)備成本要低于流延成本。
【專利說明】
一種噴槍噴涂制備YAG基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明提供一種噴槍噴涂制備YAG基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的方法，更確切地說是采用噴槍噴射的方式來制備YAG基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷，本方法成本低，操作簡單，效率高，屬于功能材料制備工藝領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自激光技術(shù)出現(xiàn)后很快在國防、工業(yè)、通信、醫(yī)療等很多領(lǐng)域獲得了廣泛地應(yīng)用。激光器按其工作的介質(zhì)可分為氣體激光器、液體激光器、固體激光器。由于固體激光器結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。固體激光器由于輸出功率高，在工作的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，散熱問題是固體激光器需要考慮的問題。固體激光材料是固體激光器的核心部件，包括玻璃、晶體、透明陶瓷。由于玻璃抗熱震性差，晶體制備復(fù)雜不能實(shí)現(xiàn)大尺寸和高濃度摻雜等原因。而透明陶瓷容易實(shí)現(xiàn)大尺寸和高濃摻雜、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)成為一種很有前景的激光材料。
[0003]為獲得光學(xué)質(zhì)量好的透明陶瓷要消除陶瓷中的剩余氣孔、雜質(zhì)和摻雜偏析等散射中心。作為激光增益材料，消除上述散射中心，降低其光學(xué)損耗，獲得完全致密的陶瓷尤為重要。但隨著固體激光器的發(fā)展，要實(shí)現(xiàn)高光學(xué)質(zhì)量和高輸出功率，需要調(diào)整激光陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)以降低工作過程中材料內(nèi)部熱場分布不均勻和熱透鏡效應(yīng)。因此對于激光輸出，熱效應(yīng)是激光系統(tǒng)急需解決的問題，不能有效的解決熱效應(yīng)，再好的光學(xué)質(zhì)量透明陶瓷作為激光增益材料也沒意義。傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備的YAG透明陶瓷結(jié)構(gòu)單一，不能有效的快速散熱。近年來提出了一些制備復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，如:等離子噴涂法、加熱模壓法、激光熔覆法、磁控濺射法等。都存在制備成本高、光學(xué)質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)整體性差、熱效應(yīng)控制能力一般等一系列問題。還可以通過形狀設(shè)計(jì)來解決固體激光器的散熱問題，可以將激光材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成薄片、板條、管狀等，通過增大散熱面積來散熱，有利于提高激光器的輸出功率和改善激光束質(zhì)量，大口徑的薄片激光材料可以面栗浦和面冷卻，能夠有效地控制激光介質(zhì)徑向溫度梯度。但大口徑的片狀增益介質(zhì)，高的增益能力和長的增益距離會(huì)帶來嚴(yán)重的自發(fā)福射放大效應(yīng)，自發(fā)福射放大效應(yīng)不僅會(huì)降低激光介質(zhì)的儲(chǔ)能效率，而且還會(huì)對增益均勻性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
[0004]為有效解決固體激光材料的散熱問題，稀土包邊復(fù)合結(jié)構(gòu)的激光增益介質(zhì)為解決自發(fā)輻射放大效應(yīng)提供一種有效的方法。2008年，日本科學(xué)家A.1kesue提出可以采用摻雜離子濃度梯度結(jié)構(gòu)來解決激光材料內(nèi)熱場不均勾性問題(A Ikesue ,Y L Aung.Ceramiclaser materials[J].Nature Photonics，2006，2.721-727)。
[0005]為制備復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷，流延成型法是個(gè)很好的選擇。流延法可以實(shí)現(xiàn)摻雜離子濃度梯度問題?？梢灾苽渲旅芏雀?、厚度可控、表面光滑平整的陶瓷坯體，然后將不同成分的流延薄膜進(jìn)行疊層處理可以制備多層復(fù)合激光陶瓷。多層復(fù)合激光陶瓷不僅可以實(shí)現(xiàn)一種摻雜離子的濃度梯度，還可以實(shí)現(xiàn)多種摻雜離子的濃度梯度;不僅能夠進(jìn)行摻雜離子的空間設(shè)計(jì)，還能夠進(jìn)行材料的空間設(shè)計(jì)。
[0006]近年來。流延法制備復(fù)合結(jié)構(gòu)材料越來越受到人們的關(guān)注，是目前生產(chǎn)陶瓷薄片最常用的方法。流延法可以制備單層、多層陶瓷基板，不僅為電子設(shè)備、電子元件的微型化以及超大規(guī)模集成電路的實(shí)現(xiàn)提供了廣闊前景，而且為工程陶瓷的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可能，為材料的性能優(yōu)化提供了一條新途徑且具有較好可靠性、可重復(fù)性和可批量生產(chǎn)性。更重要的一點(diǎn)是流延法制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷能有效的控制激光熱效應(yīng)，大幅提尚激光效率。
[0007]專利CN103508729A提供了一種水基流延成型制備釔鋁石榴石基透明陶瓷的方法。這種方法采用水基流延成型工藝，水作為溶劑制備釔鋁石榴石基透明陶瓷的漿料和流延膜;根據(jù)需要將流延膜裁剪成不同的形狀在溫度75?95°C，疊層壓力40?120MP下進(jìn)行疊層處理獲得素坯，然后將所得素坯在一定溫度下排膠處理和冷等處理后進(jìn)行燒結(jié)獲得釔鋁石榴石基透明陶瓷。專利CN103626487A提供的復(fù)合結(jié)構(gòu)釔鋁石榴石基透明陶瓷的制備方法，采用Re: YAG粉體和高純Y203、A1203、Re203為原料，添加一定量的分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑、除泡劑球磨漿料，通過真空壓力注漿成型方式可以制備不同摻雜包邊復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷素坯、多段不同摻雜Re: YAG陶瓷素坯、芯殼結(jié)構(gòu)復(fù)合陶瓷素坯、多層復(fù)合結(jié)構(gòu)素坯。通過素坯脫月旨、真空燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、退火等工藝可獲得不同復(fù)合結(jié)構(gòu)Re: YAG透明陶瓷。專利CN104725052A可供一種多層結(jié)構(gòu)透明陶瓷的制備方法，先配置流延漿料，然后流延成型，燒結(jié)得到多層YAG/Re:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷素坯，最后將素坯先在空氣中煅燒，再在真空中燒結(jié)得到復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷。
[0008]盡管流延法可以制備多層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷，但流延設(shè)備昂貴，效率低、薄片厚度有一定的極限。
[0009]目前還沒有采用噴槍噴涂的方法來制備YAG基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是采用噴槍噴涂制備YAG基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的方法，這種方法設(shè)備成本低，操作簡單、效率高、薄片厚度均勻可控。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種噴槍噴涂制備YAG(Y3Al5O12)基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的方法，其具體步驟如下:
[0012]步驟一:分別將YAG粉體和Re:YAG( (Y，Re )3A15012)粉體作為初始原料，混合入無水乙醇中，添加聚甲基丙烯酸作為分散劑，球磨，漿料過篩后真空脫泡分別得到Y(jié)AG漿料和Re:YAG漿料，其中Re為稀土元素中的一種；
[0013]步驟二:使用高精度噴槍將YAG漿料和Re: YAG漿料交替或同時(shí)噴射到50?80°C基板上使溶劑快速揮發(fā)，可以根據(jù)需要噴射復(fù)合層數(shù)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力、噴射距離、噴射時(shí)間和噴嘴口徑來控制薄膜厚度，干燥后得到噴射薄膜；
[0014]步驟三:將噴射得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)層在進(jìn)行排膠，以I?2°C/min的速率升溫至有機(jī)物分解溫度進(jìn)行脫脂，得到復(fù)合生坯；
[0015]步驟四:將復(fù)合生坯冷等、素?zé)?、真空燒結(jié)、退火可得到復(fù)合結(jié)構(gòu)YAG透明陶瓷。
[0016]優(yōu)選Re 為鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)或鐿(Yb)中的一種。
[0017]優(yōu)選YAG粉體為高純Al2O3和Y2O3按照化學(xué)計(jì)量比稱量的混合物;Re:YAG粉體為高純Al2O3、Y2O3和稀土氧化物按照化學(xué)計(jì)量比稱量的混合物;優(yōu)選Re: YAG ((Y，Re )3A15012)粉體中Re的添加量為AI2O3和Y2O3質(zhì)量之和的0.5?5% ;分散劑聚甲基丙稀酸的添加量為AI2O3和Y2O3質(zhì)量之和的0.5?3wt%。
[0018]優(yōu)選球磨速率為100?500r/min ；球磨時(shí)間為6?48h ；料:磨球:溶劑的質(zhì)量比為I:(I ?10):(1 ?10)。
[0019]優(yōu)選上述的噴槍為高流量低氣壓霧化技術(shù)省料噴槍(HVLP)或低流量中氣壓霧化噴槍(RP)等高精密噴槍，其為流量可控、往復(fù)式自動(dòng)噴槍;根據(jù)需要的復(fù)合結(jié)構(gòu)將YAG漿料和Re: YAG漿料交替或同時(shí)噴射到50?80°C基板上使溶劑快速揮發(fā)。干燥后得到噴射薄膜。通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力、噴射距離、噴嘴口徑和噴射時(shí)間來控制薄膜厚度，或者同一層內(nèi)兩種漿料的濃度比例，一般噴射的總層數(shù)在20層以上。優(yōu)選噴槍的進(jìn)氣壓力為0.1?0.5MP;噴射距離5?20cm;噴嘴口徑為0.1?1mm。
[0020]優(yōu)選復(fù)合生坯冷等的壓力為100?200MP的壓力，冷等時(shí)間為5?30min;素?zé)郎囟葹?00?1000°C，素?zé)龝r(shí)間為I?6h;真空燒結(jié)溫度為1700?1800°C，真空燒結(jié)時(shí)間為4?24h;退火溫度為1200?1400°C，退火時(shí)間為5?12h。
[0021]有益效果:
[0022]1.本發(fā)明提供的一種制備YAG基復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法對設(shè)備要求低、成本低、效率高、厚度可控且極限厚度小。適合規(guī)?；笈可a(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)一度高。使用這種方法復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜非常適合制備復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷。
[0023]2.本發(fā)明可以制備出不同摻雜離子、不同摻雜濃度梯度、不同結(jié)構(gòu)的YAG基透明陶
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【附圖說明】
[0024]圖1為實(shí)施例2制備的YAG/Ce:YAG/YAG有厚度梯度的復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷設(shè)計(jì)圖；
[0025]圖2為實(shí)施例3制備的YAG/Eu:YAG同時(shí)噴射，Eu: YAG濃度按正弦函數(shù)變化的復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷設(shè)計(jì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]實(shí)施例1YAG/Nd: YAG/YAG等厚度交替復(fù)合結(jié)構(gòu)
[0028]將高純YAG粉體，高純釹氧化物摻雜的YAG粉體分別置于球磨罐中，添加一定量的無水乙醇作為溶劑，原料:磨球:溶劑的質(zhì)量1:10:10，Nd的添加量為Al2O3J2O3質(zhì)量之和的3%。添加分散劑聚甲基丙烯酸的量占Al2O3J2O3質(zhì)量之和的3wt%，球磨速率為200r/min，球磨時(shí)間為24h，漿料球磨好后進(jìn)行真空脫泡。將漿料交替噴射到60°C的基板上，進(jìn)氣壓力為0.1MP，噴射距離10cm，噴嘴口徑為0.1mm，每層噴射1s，得到每層厚度為1um的等厚度共20層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。將干燥后得到噴射薄膜以2°C/min的速率升溫至有機(jī)物分解溫度進(jìn)行排膠，得到復(fù)合生坯。將得到復(fù)合生坯在100MP的壓力下冷等30min、在800 °C下素?zé)?h、在1800°C下真空燒結(jié)4h、在1200°C下退火12h。再經(jīng)拋光得到透明陶瓷，其在IlOOnm處光學(xué)透過率為 82.0%。
[0029]實(shí)施例2YAG/Ce:YAG/YAG有厚度梯度的復(fù)合結(jié)構(gòu)
[0030]將高純YAG粉體，高純鈰氧化物摻雜的YAG粉體分別置于球磨罐中，添加一定量的無水乙醇作為溶劑，原料:磨球:溶劑的質(zhì)量1: 5:1，Ce的添加量為A1203、Y2O3質(zhì)量之和的5%。添加分散劑聚甲基丙烯酸的量占Al2O3、Y2O3質(zhì)量之和的Iwt %，球磨速率為100r/min，球磨時(shí)間為48h，漿料球磨好后進(jìn)行真空脫泡。將漿料交替噴射到50°C的基板上，進(jìn)氣壓力為0.3MP，噴射距離5cm，噴嘴口徑為0.2mm，第一層噴射時(shí)間為1s，以后每層噴射時(shí)間一次增加10s，得到有厚度梯度的共30層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷設(shè)計(jì)圖如圖1所示。將干燥后得到噴射薄膜以1.5°C/min的速率升溫至有機(jī)物分解溫度進(jìn)行排膠，得到復(fù)合生坯。將得到復(fù)合生坯在200MP的壓力下冷等lOmin、在900°C下素?zé)?h、在1700°C下真空燒結(jié)24h、在1400°C下退火5h。再經(jīng)拋光得到透明陶瓷，其在I 10nm處光學(xué)透過率為81.8%。
[0031 ]實(shí)施例3YAG/Eu: YAG濃度正弦式變化的復(fù)合結(jié)構(gòu)
[0032]將高純YAG粉體，高純銪氧化物摻雜的YAG粉體分別置于球磨罐中，添加一定量的無水乙醇作為溶劑，原料:磨球:溶劑的質(zhì)量I: I: 5，Eu的添加量為Al2O3J2O3質(zhì)量之和的
0.5%。添加分散劑聚甲基丙烯酸的量占Al2O3J2O3質(zhì)量之和的0.5wt%，球磨速率為500r/min，球磨時(shí)間為6h，漿料球磨好后進(jìn)行真空脫泡。以Eu: YAG的濃度按正弦函數(shù)比例，將兩種漿料同時(shí)噴射到80 0C的基板上，進(jìn)氣壓力為0.5MP，噴射距離20cm，噴嘴口徑為1mm。將干燥后得到噴射薄膜以l°C/min的速率升溫至有機(jī)物分解溫度進(jìn)行排膠，得到復(fù)合生坯。將得到復(fù)合生坯在200MPa的壓力下冷等5min、在1000°C下素?zé)齦h、在1750°C下真空燒結(jié)12h、在1300°C下退火10h。再經(jīng)拋光得到透明陶瓷，其復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷設(shè)計(jì)圖如圖2所示，其在I 10nm處光學(xué)透過率為82.5 %。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種噴槍噴涂制備YAG基復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的方法，其具體步驟如下: 步驟一:分別將YAG粉體和Re: YAG粉體作為原料，混合入無水乙醇中，添加聚甲基丙烯酸作為分散劑，球磨，漿料過篩后真空脫泡分別得到Y(jié)AG漿料和Re: YAG漿料;其中Re為稀土元素中的一種； 步驟二:使用噴槍將YAG漿料和Re: YAG漿料交替或同時(shí)噴射到50?80 °C基板上，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力、噴射距離、噴射時(shí)間和噴嘴口徑來控制薄膜厚度，干燥后得到噴射薄膜； 步驟三:將噴射得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)層在進(jìn)行排膠，以I?2°C/min的速率升溫至有機(jī)物分解溫度進(jìn)行脫脂，得到復(fù)合生坯； 步驟四:將復(fù)合生坯冷等、素?zé)?、真空燒結(jié)、退火可得到復(fù)合結(jié)構(gòu)YAG透明陶瓷。2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的Re為鈰、鐠、釹、釤、銪、鏑、鈥、鉺、銩或鐿。3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于Re:YAG粉體中Re的添加量為Al2O3和Y2O3質(zhì)量之和的0.5?5%;分散劑聚甲基丙烯酸的添加量為Al2O3和Y2O3質(zhì)量之和的0.5?3wt %。4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于球磨速率為100?500r/min;球磨時(shí)間為6?48h;料:磨球:溶劑的質(zhì)量比為1: (I?10): (I?10)。5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的噴槍的進(jìn)氣壓力為0.1?0.5MP;噴射距離5?20cm;噴嘴口徑為0.1?1mm。6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于復(fù)合生坯冷等的壓力為100?200MP的壓力，冷等時(shí)間為5?30min;素?zé)郎囟葹?00?1000°C，素?zé)龝r(shí)間為I?6h;真空燒結(jié)溫度為1700?1800°C，真空燒結(jié)時(shí)間為4?24h;退火溫度為1200?1400°C，退火時(shí)間為5?12h。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK105884344SQ201610219256
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】張樂, 李正, 陳浩, 賁玥, 楊浩, 王騁
【申請人】江蘇師范大學(xué)