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    “透明陶瓷之王”——激光陶瓷

    作者:創通石英 來源: 日期:2020/12/31 13:15:52 人氣:7 標簽:透明 陶瓷 激光

    透明激光陶瓷是在近年來蓬勃發展起來的新型激光材料,當前市場上激光材料以Nd:YAG(釹釔鋁石榴石)單晶和釹玻璃為主。Nd:YAG單晶具備熱導率高、化學穩定性和可工性好的特性,是目前應用廣泛的固體激光介質,因其受到雜質分凝系數及尺寸的限制,存在輸出功率小和發光效率低等缺點,從而妨礙了單晶的應用,而透明YAG多晶陶瓷具有易制造、成本低、尺寸大、摻雜濃度高、熱導率高、耐熱沖擊性好,可大批量生產、易實現多層和多功能的陶瓷結構等優點,可作為一種性能優良的激光介質使用,從而彌補單晶作為激光工作物質的不足,是一種極有潛力的新型固體激光材料。


    激光陶瓷作為21世紀激光材料的研究熱點之一,直到1995年日本才首次制備出高透明的Nd:YAG陶瓷,該材料在制備技術和材料性能等方面都具有單晶、玻璃激光材料無可比擬的優勢而受到極大的關注,激光輸出功率和激光效率都迅速提升。國內于2006年5月由中國科學院上海硅酸鹽研究所科研人員首次實現了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷的激光輸出。


    激光透明陶瓷有望取代晶體的地位,成為應用最廣泛的激光材料之一。這主要是由于激光陶瓷的制備采用了成熟的陶瓷生產方法,具有非常明顯的成本優勢,另外,還有一些優勢是單晶難以具備的。綜合看來,激光陶瓷相比于晶體主要有如下的優點:


    ①陶瓷的制備時間短,燒結裝置無需貴金屬材料,燒結無需在高純保護性氣氛下進行,制備成本低;


    ②陶瓷可以制備成多種形狀,制備大尺寸的陶瓷是其制備方法固有的優勢;


    ③ 陶瓷中摻雜粒子濃度高,從整體上看摻雜粒子的分布均勻;


    ④ 陶瓷燒結的溫度比晶體的熔點低許多,制備出的陶瓷其組份偏離小;


    ⑤陶瓷能夠做成不同形狀或者多層材料進行燒結,有可能發展出多功能陶瓷。


    激光陶瓷與玻璃比較,前者優勢更為明顯,這是由于激光陶瓷的熱導率、硬度、機械強度等性能與晶體相當或優于晶體,而玻璃激光工作物質的主要不足就在這些方面。


    1.激光陶瓷的技術難點


    陶瓷作為一種多晶材料,其內部的晶界、氣孔、晶格的不完整性都會導致材料的不透明并增加光散射損失,從而影響激光的產生。綜合來看,透明激光陶瓷制備的難點在于兩個方面:


    ①透光性。這主要受材料內部氣孔率、晶界結構、晶粒尺寸、原料純度等影響。


    ②均勻性。這一點受原料粉體粒度分布、成型坯體均勻性以及燒結工藝等影響。


    其中激光陶瓷在透光性上出現的光學損耗主要是由于光學散射和光學吸收引起的。光學吸收涉及光能向其它性質能量的轉變,而光學散射則不涉及能量轉換,僅改變光傳播方向。因此,光學損耗中心的控制是制備高質量激光陶瓷的關鍵。需要對光學散射、吸收中心形成機理的深入研究,并提出了抑制光學損耗的有效方法。


    解決以上問題,再在采用高純原料外調變原料粉體粒度分布、優化成型工藝和燒結工藝上多下功夫,制備出大尺寸、性能優異的透明激光陶瓷材料就要容易許多。


    2.透明激光陶瓷的戰略意義


    激光技術對于經濟社會發展和國家安全具有極其重要的戰略意義,而激光材料是激光技術發展的核心和基礎。作為新一代固體激光材料—透明激光陶瓷,對國家安全和國民經濟可持續發展具有重大意義,是陶瓷材料研究領域結構功能一體化的典范。大尺寸、低光學散射損耗激光陶瓷的研究具有很強的前瞻性、關鍵性與基礎性,不僅對材料科學發展意義重大,而且對高技術產業發展也具有重要意義。


    來源:瓷錄Ceramats


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