凝固-非晶晶化法制備YAG基透明陶瓷研究成果在Nature Communication上發(fā)表
釔鋁石榴石（YAG）具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)、熱性能以及高溫穩(wěn)定性，稀土摻雜YAG透明材料是目前性能最好、用途最廣、產(chǎn)量最大的固體激光器用增益介質(zhì)材料，對我國國防科技具有重要戰(zhàn)略意義，并在輻射探測閃爍體、LED等諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用。目前，YAG透明材料以單晶和透明陶瓷為主，前者主要采用定向凝固技術(shù)來制備，存在晶體生長周期長、成本昂貴、尺寸和摻雜濃度難以提高等問題。YAG透明陶瓷主要采用粉末燒結(jié)制備方法，要達(dá)到高透明度，需要充分排除陶瓷中的氣孔和雜質(zhì)相、完全致密且晶界極薄，對原料、設(shè)備、成型和燒結(jié)工藝有極其苛刻的要求，比如需要高純、高分散性的納米粉體原料、熱等靜壓和真空燒結(jié)等，晶粒在長時(shí)間高溫?zé)Y(jié)過程中容易長大。
中科院過程工程研究所李建強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)提出利用凝固-非晶晶化方法制備YAG透明陶瓷的創(chuàng)新思想，并開展了系統(tǒng)研究。首先，針對YAG成分的熔體非晶形成能力差的問題，采用無容器凝固技術(shù)抑制熔體深過冷狀態(tài)下的形核，獲得了冷卻速度對熔體凝固產(chǎn)物物相與結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，進(jìn)而通過調(diào)整Al2O3/Y2O3配比強(qiáng)化了Al2O3-Y2O3熔體的非晶形成能力，成功制備出完全非晶態(tài)、成分分布均勻的Al2O3-26mol%Y2O3塊狀非晶。進(jìn)一步，與法國國家科學(xué)中心（CNRS）Mathieu Allix研究員合作研究了非晶基質(zhì)無壓條件下晶化行為，獲得了晶化溫度、時(shí)間對產(chǎn)物物相與微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)了通過簡單熱處理（～1100℃）一步得到完全晶化的YAG基透明陶瓷。獲得的YAG基透明陶瓷完全由納米晶組成，YAG相質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)77%，其余為Al2O3相，化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)分布高度均勻。發(fā)現(xiàn)該納米復(fù)相結(jié)構(gòu)中YAG晶粒周圍的Al2O3少數(shù)相具有很好的緩解晶化收縮應(yīng)力和抑制YAG晶粒長大的作用，YAG晶粒加熱至1400℃晶粒仍能保持納米級。YAG基透明陶瓷具有極高的透過率，在近紅外和中紅外波段可與YAG單晶媲美，硬度比YAG單晶和透明陶瓷高10%，Ce摻雜后熒光性能優(yōu)異，量子效率高達(dá)87.5%（如圖）。優(yōu)異的光學(xué)和力學(xué)綜合性能使得該新型納米晶YAG基透明陶瓷在大功率LED、LD等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。
這種透明陶瓷的新制備方法能很好地結(jié)合凝固和非晶晶化方法的優(yōu)勢。一方面，凝固制備塊狀非晶基質(zhì)不僅快速、可成型復(fù)雜形狀和多種尺寸，而且使用普通的原料粉末即可，避免傳統(tǒng)粉末燒結(jié)法對高質(zhì)量粉末的依賴。另一方面，非晶晶化過程具有條件溫和、工藝簡單、產(chǎn)物均勻、摻雜濃度高、晶粒尺寸容易控制等特點(diǎn)。相關(guān)成果于2018年3月21日發(fā)表在Nature Communication（Pressureless glass crystallization of transparent yttrium aluminum garnet-based nanoceramics, 9, 1175 (2018), DOI:10.1038/s41467-018-03467-7,https://www.nature.com/articles/s41467-018-03467-7）上。李建強(qiáng)研究員和Mathieu Allix研究員為共同通訊作者，過程所馬曉光博士和李曉禹副研究員為共同第一作者。該研究得到了國家自然基金(Grant Nos. 51471158, 51674232等)，北京市自然基金(No.2152032)和中國科學(xué)院“國際人才計(jì)劃”(Grant No. 2017VEA0010)等項(xiàng)目的支持，并已申請國際專利（PCT/CN2018/078307）。
上圖 （a）YAG基納米透明陶瓷高分辨TEM形貌，內(nèi)嵌圖為兩種晶相的傅立葉轉(zhuǎn)換電子衍射圖；（b）YAG基透明陶瓷透過率曲線，內(nèi)嵌圖為透明陶瓷光學(xué)照片；（c）STEM-HAADF形貌及EDS元素面分布圖；（d）摻雜2 at% Ce3+的YAG基透明陶瓷材料激發(fā)發(fā)射譜，內(nèi)嵌圖為460 nm光激發(fā)的透明陶瓷照片。
