一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的制備方法；尤其設(shè)及一種采用流延工藝 制備多層（YAG/Re:YAG/YAG)復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的方法，屬于先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 自1995年日本科學(xué)家化esue W固相反應(yīng)燒結(jié)法實(shí)現(xiàn)Nd:YAG透明陶瓷的連續(xù) 激光輸出W來(lái)，激光陶瓷W其制備周期短、易實(shí)現(xiàn)均勻（梯度）和高濃度滲雜、易實(shí)現(xiàn)大 尺寸和設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)點(diǎn)而獲得快速發(fā)展，各種新型激光透明陶瓷材料層出不窮，如Yb/ Nd: YSAG、Nd: Y2化Xr: ZnS等，現(xiàn)已在物理激光測(cè)量和激光醫(yī)療等領(lǐng)域獲得初步應(yīng)用，其取代 單晶成為下一代激光增益材料正逐步成為現(xiàn)實(shí)。在所有的激光透明陶瓷中，Nd:YAG W其優(yōu) 異的物理化學(xué)性質(zhì)而成為研究最為廣泛、激光輸出效率最高的材料體系，其他稀±離子如 孔、Er、化、Tm和過(guò)渡金屬離子化等滲雜的YAG透明陶瓷在產(chǎn)生不同激光波長(zhǎng)、調(diào)諧脈沖寬 度（皮秒、飛秒等）等方面也引起了廣泛關(guān)注。
[0003] 眾所周知，在透明陶瓷中存在的剩余氣孔、晶界雜質(zhì)及滲雜偏析等光學(xué)散射中屯、 是阻礙其光學(xué)質(zhì)量超越單晶的最主要因素。作為激光增益材料，消除上述散射中屯、，降低其 光學(xué)損耗，獲得完全致密、無(wú)剩余氣孔及晶界干凈的陶瓷材料尤為重要。然而，對(duì)于激光輸 出，熱效應(yīng)的控制可W說(shuō)是激光系統(tǒng)的瓶頸，不能很好的控制熱效應(yīng)，再好的光學(xué)質(zhì)量透明 陶瓷作為激光增益材料也會(huì)變得無(wú)意義。傳統(tǒng)的固相反應(yīng)燒結(jié)法制備的YAG透明陶瓷結(jié) 構(gòu)單一，不能有效的控制熱效應(yīng)，而幾年來(lái)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、激光烙覆法、磁控瓣射法等等，存在制備成本高、光學(xué)質(zhì)量差、透過(guò)率低、結(jié) 構(gòu)整體性差、熱效應(yīng)控制能力一般等一系列問(wèn)題。近年來(lái)，流延法制備復(fù)合結(jié)構(gòu)材料已越 來(lái)越受到人們的關(guān)注，是目前生產(chǎn)陶瓷薄片常用的方法之一，能制備單層或多層片式陶瓷 基板，不僅為電子設(shè)備、電子元件的微小型化W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。其最重要的一點(diǎn)，流延法制備 的復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷能很有效的控制激光熱效應(yīng)，大幅度地提高了激光效率。
[0004] 在采用流延制備多層（YAG/Re:YAG/YAG)復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷方面，文獻(xiàn) l(Eliz油eth R.Ku卵，Gary L. Messing. J. Mater. Res, 25(2010)0069-0076)在使用無(wú)水己 醇和甲苯作為溶劑，魚油作為分散劑，添加PVB粘結(jié)劑，BBP作為增塑劑并且在真空燒結(jié)后 增加HIP燒結(jié)步驟后制得的化:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷整體晶粒偏大，界面結(jié)合處的離子擴(kuò)散范 圍較大，透過(guò)率只有在1645皿處相對(duì)好一些，其他波段普遍偏低。文獻(xiàn)2 (Xuewei Ba, Jiang Li,Ya噸ingZeng.CeramicsInternational39 (2013) 4639 - 4643)義用水基流延法，W去 離子水為溶劑，PAA作為分散劑，PVA為粘結(jié)劑，添加PEG-400增塑劑。由于是采用水基系 統(tǒng)，存在有機(jī)物的互溶性較差等問(wèn)題，制得的流延漿料的穩(wěn)定性不夠理想且流變特性較差， 制備的素巧容易出現(xiàn)斷裂和裂痕，最終制得的復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷氣孔比較多，光學(xué)質(zhì)量不是十 分理想。文獻(xiàn) 3(Lin Ge, Jiang Li.OPTICALMATERIALSEXPRESS4(2014) 1042-1049)采用 無(wú)水流延和固相反應(yīng)燒結(jié)法制備YAG/Nd:YAG/YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷，其添加劑分別為；魚 油分散劑、粘結(jié)劑PVB、增塑劑PEG-400和BBP。雖然制備的漿料流變特性較理想，但是制備 的基帶均勻性差，素巧容易出現(xiàn)裂痕，最終燒結(jié)得到的陶瓷軸向透過(guò)率低，普遍低于80%。
[0005] 在W上文獻(xiàn)中，流延工藝制得的多層（YAG/Re:YAG/YAG)復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷普遍 存在漿料流變特性很一般、光學(xué)質(zhì)量較差、軸向透過(guò)率較低、稀±離子的滲雜量不高、離子 的擴(kuò)散較大、整個(gè)制備工藝的花費(fèi)相對(duì)較高，最終制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷不能滿足高光 學(xué)質(zhì)量和良好的激光熱效應(yīng)控制的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷制備，特別是其在高功率、大尺 寸和復(fù)合結(jié)構(gòu)等方面的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的 制備方法。采用流延加真空燒結(jié)輔助的方式，來(lái)制備具有化學(xué)純度高、均勻性好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 整體性好，透過(guò)率高的復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：本發(fā)明提出的多層（YAG/Re:YAG/YAG)復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷 用的漿料制備方法是一種采用PVB和魚油為粘結(jié)劑和分散劑，PAG和BBP W組合的方式作 為增塑劑，W高純氧化物原料為高光學(xué)質(zhì)量透明陶瓷的前提，采用聚合物PVB為粘結(jié)劑在 漿料中形成粘結(jié)網(wǎng)絡(luò)，再借助分散劑魚油的靜電排斥和空間位阻效應(yīng)來(lái)消除漿料中原料粉 體顆粒間的范德華引力，形成多組分均勻分散、穩(wěn)定的漿料。同時(shí)，魚油、PVB、PAG和BBP聯(lián) 合作用來(lái)并通過(guò)影響漿料固含量來(lái)一起改善陶瓷漿料的密度、粘度和表面張力來(lái)獲得很好 的假塑性流體漿料。同時(shí)，對(duì)于YAG基透明陶瓷粉體，陶瓷胚體的燒結(jié)致密化過(guò)程通常需要 燒結(jié)助劑的加入，盡管其對(duì)流延漿料粉體的狀態(tài)如形貌、尺寸等影響不大，但作為陶瓷燒結(jié) 的必需組分，跟YAG的原料組分一起混合加入漿料中，在此選用市售高純巧9. 99%及W上） MgO和正娃酸己醋（TEO巧作為共燒結(jié)助劑。
[000引本發(fā)明的具體技術(shù)方案為；一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明陶瓷的制備方法，其特征在于 所制備的多層陶瓷滿足下式所示的結(jié)構(gòu)；YAG/Re:YAG/YAG ;中間層為（Yi_yRey)3Al50i2組分 薄片組成的Re: YAG多層，每個(gè)Re: YAG單層厚度為0. 05~0. 12mm，層數(shù)為3~6層；兩端層 為Y3AI亂2薄片組成的YAG多層，每個(gè)YAG單層厚度為0. 05~0. 12mm，層數(shù)為3~6層；Re 為稀±元素錦（Ce)、錯(cuò)（Pr)、欽（Nd)、衫（Sm)、館巧U)、鋪（Tb)、鋪值y)、狄化0)、巧巧r)、 鎊（Tm)或鏡（孔）中的一種，，W形成未滲雜或滲雜YAG陶瓷粉體；具體步驟如下：
[0009] (1)流延用漿料配置：純YAG部分按Y3AI5O12、Re:YAG部分按化_典〇3AI5O12， 0. 02《X《0.2組成所需的金屬元素摩爾比稱量原料粉體，并加入燒結(jié)助劑、分散劑和溶劑 配置漿料；在行星式球磨機(jī)上球磨混合后再加入粘結(jié)劑和增塑劑，再繼續(xù)球磨混合得到流 延所用漿料；
[0010] 似流延成型過(guò)程；將步驟（1)中所得到的YAG和Re: YAG流延漿料進(jìn)行除泡處理， 條件均為：真空環(huán)境-50~-70kpa下攬拌5~lOmin ;流延工藝參數(shù)為；刮刀與基帶的距離 為0. 3 ym~0. 7mm，流延速率為1~2cm/s ;漿料經(jīng)過(guò)流延基帶，并在熱空氣作用下蒸發(fā)溶 劑，得到厚度為0. 05~0. 12mm的單層素巧；
[0011] (3)成型及燒結(jié)；將制得的單層素巧進(jìn)行各部分和整體的成型，各個(gè)部分堆疊3~ 6層，整體為9~18層；將制得的復(fù)合結(jié)構(gòu)素巧層壓在100~150°C，25~30Mpa環(huán)境下 10~20min后即得到化學(xué)純度高、均勻性好，具有一定致密度的多層YAG/Re:YAG/YAG復(fù)合 結(jié)構(gòu)陶瓷素巧，然后將素巧在空氣氛中600~800°C鍛燒2~4小時(shí)去除有機(jī)物，最后將素 巧在真空環(huán)境中1650~1780°C燒結(jié)16~24小時(shí)得到多層YAG/Re:YAG/YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)透明 陶瓷。
[0012] 優(yōu)選上述的原料粉體為高純的Al2〇3粉體、Y203和Re2〇3粉體（一般純度為99. 99% 及W上）；燒結(jié)助劑為MgO和正娃酸己醋（TEO巧；所述的溶劑為無(wú)水己醇和二甲苯混合溶 液，