一种改性自发凝固成型制备大尺寸YAG透明陶瓷的方法与流程

本发明涉及yag透明陶瓷材料制备的，尤其涉及一种改性自发凝固成型制备大尺寸yag透明陶瓷的方法。

背景技术：

1、yag透明陶瓷具有良好的光学和力学性能,广泛应用于激光增益介质与光学窗口等领域，利用透明陶瓷材料的制备优势,不仅能获得比单晶尺寸更大的增益介质,还易于制成各种复合结构,透明陶瓷材料成为继单晶和玻璃之后,又一种优秀的激光增益介质。目前,激光陶瓷除了要求光学性能高，在高功率、大能量激光输出方面,也需要不断增大增益介质的尺寸,这对陶瓷成型提出了新的挑战，制备大尺寸/复杂形状yag透明陶瓷是目前研究的热点与难点。

2、干压–冷等静压成型是制备yag透明陶瓷的传统成型方法,该成型方法制备的yag透明陶瓷烧结温度高,力学性能和光学性能较差,且难以制备出复杂结构陶瓷部件。相对于干压成型–冷等静压成型,注凝成型(gel-casting)和直接凝固成型(dcc)等为代表的胶态成型技术具有成型素坯密度高、微观均匀性好、可近净尺寸成型等优点,适合制备复杂结构陶瓷部件,并且成本低,操作简便,对模具要求低,可控性好。自发凝固成型作为一种新型的胶态成型技术,近年来在陶瓷领域的应用引起了人们的关注。

3、目前，已有学者使用自发凝固成型方法成功制备了光学质量较高的yag透明陶瓷。但在大尺寸yag的成型过程中,该方法暴露出凝胶固化时间长、湿坯和素坯强度较低、易出现干燥变形甚至开裂的问题。乙二醇二缩水甘油醚(egdge)是一种具有良好水溶性的环氧树脂,能与自发凝固体系的诱导剂isobam发生酯化加成反应形成三维聚合物网络。

4、为了解决自发凝固成型制备大尺寸yag透明陶瓷过程中凝胶固化速率慢、素坯开裂等问题,本研究采用egdge对isobam自发凝固成型体系进行交联改性,以提高浆料的凝胶固化性能。为大尺寸复杂结构yag透明陶瓷的制备提供了新的途径,也为后续原位固化成型制备激光陶瓷的研究奠定了基础。

技术实现思路

1、解决的技术问题：本发明解决了现有技术中存在的yag素坯凝胶固化时间长、湿坯和素坯强度较低、干燥易变形和易开裂等等技术问题，提供一种改性自发凝固成型制备大尺寸yag透明陶瓷的方法，以高纯α-al2o3粉末和y2o3粉末为原料,水溶性环氧树脂乙二醇二缩水甘油醚(egdge)为辅助交联固化剂，对自发凝固成型体系进行改性,采用高温固相合成法制备yag透明陶瓷，有效增强浆料的凝胶固化能力，制备的yag透明陶瓷显微结构均匀、致密度高，且具有良好的固化性能和光学性能，通过紫外可见近红外分光光度计测得在1064nm处直线透过率为83.8％。

2、技术方案：本发明所述的一种改性自发凝固成型制备大尺寸yag透明陶瓷的方法，所述大尺寸yag透明陶瓷的具体制备方法包括以下步骤：

3、第一步，原料选择：按质量份数配比称取α-al2o312.5-18.5份、y2o34.5-10份、烧结助剂0.6-1.5份、溶剂20-35份、分散剂0.45-0.6份、固化剂0.2-0.4份、egdge 3.6-4.8份，选用高纯α-al2o3粉末和y2o3作为原料粉体，根据yag(y3al5o12)的化学计量比称重；烧结助剂为硅酸四乙酯teos、mgo和cao中的两种或三种；溶剂为去离子水体系或醇体系或由水和醇混合体系组成，分散剂为isobam 600af，固化剂为isobam104；

4、第二步，浆料制备：称取上述的原料配比将α-al2o3、y2o3、烧结助剂、磨球、分散剂、固化剂、溶剂在行星式球磨机中球磨混合制备成固含量为质量分数75-85％的浆料，浆料的ph值在7-12之间，在行星式球磨机中球磨混合0.5-90h，球磨转速360r/min，料：球＝1：5，得到自发凝固成型体系yag陶瓷浆料；

5、第三步，体系改性：添加水溶性环氧树脂乙二醇二缩水甘油醚egdge为辅助交联固化剂，对自发凝固成型体系yag陶瓷浆料进行改性，继续球磨0.5-90h；

6、第四步，脱气成型：球磨后的浆料经真空脱气后浇注至模具中,在20-26℃下固化36-60h，浆料原位凝固，坯体和模具分离，脱模得到凝胶生坯；

7、第五步，分阶段干燥：凝胶生坯成型后，将凝胶生坯置于恒温恒湿箱干燥36-60h；为了防止凝胶生坯变形、开裂，干燥后的凝胶生坯先放入氧化铝坩埚中，再装入管式炉中，从室温到800℃分阶段干燥生坯并保温8-10h，并排出有机物；

8、第六步，烧结退火：干燥后的凝胶生坯放入真空炉中真空烧结,烧结温度范围1400℃-1900℃，烧结时间为5-120小时；再放入压烧炉氩气气压下进行热等静压烧结，温度范围为1500-1800℃，压强为170-190mpa，烧结时间为2.5-4h；最后置于1300-1500℃空气中退火处理8-20h，制得成品大尺寸yag透明陶瓷。

9、优选的，第一步中高纯α-al2o3粉末的纯度为99.99％，粒径为100-200nm，y2o3纯度为99.999％，平均粒径为0.5-1.5μm，分散剂isobam 600af的分子量为5500-6500，简称ib600，固化剂为isobam104的分子量为55000～65000，简称ib104。

10、优选的，所述第三步自发凝固成型体系yag陶瓷浆料中egdge的添加可以和isobam600af与isobam104发生酯化加成反应，提高了浆料的固化能力。

11、优选的，第三步中自发凝固成型体系yag陶瓷浆料密度为2.32-2.51g/cm3,添加egdge后凝胶生坯密度下降，egdge使样品内部增加了三维网络结构,导致颗粒堆积密度低。

12、优选的，所述第四步真空脱气的脱气速度为5-60ml/h，真空度为3-40mmhg。

13、优选的，所述第五步中恒温恒湿箱的温度范围为20-26℃，湿度范围为70-80％；分阶段干燥的初期设定温度30℃、湿度90％，升温速率为0.1-10℃/min，慢慢增加温度减少湿度分阶段干燥，湿度分阶段为初期快速干燥阶段、中期渐进干燥阶段、后期缓慢干燥阶段。

14、优选的，所述第五步中恒温恒湿箱的温度为25℃，湿度为76％。

15、优选的，所述第五步中分阶段干燥的升温速率为0.2℃/min。

16、优选的，所述初期快速干燥阶段的湿度下降速度为2-4％/min、中期渐进干燥阶段的湿度下降速度为1-3％/min、后期缓慢干燥阶段的湿度下降速度为0.3-1％/min。

17、优选的，所述第六步中根据样品尺寸大小决定烧结时间为5-120小时，成品大尺寸yag透明陶瓷显微结构均匀、致密度高，且具有良好的固化性能和光学性能，通过紫外可见近红外分光光度计测得在1064nm处直线透过率为83.8％。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、1、本发明的一种改性自发凝固成型制备大尺寸yag透明陶瓷的方法，通过在粉体中添加水溶性环氧树脂乙二醇二缩水甘油醚(egdge)作为辅助交联固化剂，对自发凝固成型体系进行改性，egdge和isobam发生酯化加成反应，提高了浆料的固化能力；

20、2、本发明的一种改性自发凝固成型制备大尺寸yag透明陶瓷的方法，通过采用高温固相合成法制备yag透明陶瓷，采用分段干燥的方法解决了yag素坯干燥易变形和易开裂等问题；

21、3、本发明的一种改性自发凝固成型制备大尺寸yag透明陶瓷的方法，制备的yag透明陶瓷显微结构均匀、致密度高，且具有良好的固化性能和光学性能，通过紫外可见近红外分光光度计测得在1064nm处直线透过率为83.8％。