YAG材料合成综述

课程论文论文题目:YAG材料合成制备综述学院:理工学院专业:材料科学与工程专业指导老师:姓名：学号:2012年1月2日YAG材料合成制备综述题目：YAG材料合成设计综述单位：理工学院材料系作者;摘要简单介绍了YAG材料的发展历史，性能及应用，着重对其制备方法进行叙述。AbscartWebrieflyintroducestheYAGmaterialsdevelopmenthistory,performanceandapplication,andthepreparationmethodofnarration.关键词钇铝石榴石材料合成共沉淀法研究进展综述１引言钇铝石榴石(Y3AI5O12,YAG)空间群为Oh10-Ia3d，属立方晶系，其晶格常数为1.2002nm，它的分子式结构又可写成：L3B2(AO4)3，其中L，A，B分别代表三种格位。在单位晶胞中有8个Y3Al5O12分子。一共有24个钇离子，40个铝离子，96个氧离子。其中每个钇离子各处于由8个氧离子配位的十二面体的L格位，16个铝离子各处于由6个氧离子配位的八面体的B格位，另外24个铝离子各处于由4个氧离子配位的四面体的A格位。八面体的铝离子形成体心立方结构，四面体的铝离子和十二面体的钇离子处于立方体的面等分线上，八面体和四面体都是变形的，其结构模型见图1。石榴石的晶胞可看作是十二面体、八面体和四面体的连接网。YAG材料有单晶，透明陶瓷，玻璃等，较为先进且研究热门的是YAG陶瓷材料。YAG陶瓷具有制备工艺简单，性能可媲美单晶的特点]1[。具有取代YAG单晶作为主要激光材料的趋势。另外，YAG粉体通过掺杂Ce3+，Tb3+，Eu3+等离子还可以作为超短余辉荧光粉，在等离子平板显示(PDP)，阴极射线管(CRT)以及发光二极管(LED)等方面有着广阔的应用前景。本文将对其制备合成方法的研究现状做出叙述。2YAG陶瓷材料发展历史YAG透明陶瓷的研究始于20世纪80年代。1984年，G.DeWith等首次报道了透明YAG陶瓷的制备工艺。采用固相合成法合成YAG粉料，以0.05~0.15%SiO2或MgO作为添加剂，经等静压成型后在1700～1800℃条件下真空烧结保温4h制备出相对密度近100％的透明YAG陶瓷。1990年，M.Sekita报道了利用尿素共沉淀法制备Nd:YAG粉体，等静压成型后于1700℃真空烧结3h，得到部分光学性能几乎与Nd:YAG单晶相同的Nd:YAG陶瓷，但是光的背底吸收较高，其透光率为70％左右。1995年，日本Ikesue等采用高温固相反应方法首次制备出了高度透明的Nd:YAG陶瓷。对其折射率、热导率、硬度等物理特性的测量结果表明，Nd:YAG透明陶瓷与Nd:YAG单晶类似。同时研制出世界上第一台能与Nd:YAG单晶激光器相媲美的透明Nd:YAG陶瓷激光器，用输出功率为600mW、输出波长为808nm的激光二极管，采用端面泵浦技术，泵浦Nd3+浓度和单晶YAG相当的YAG陶瓷，结果表明，透明Nd:YAG陶瓷的激光阈值仅比单晶稍高，斜率效率达到28%，激光最大输出功率为70mW。3YAG晶体及粉体材料制备方法3.1提拉法生长YAG激光晶体材料3.1.1中频感应加热提拉法工艺流程为装炉，抽真空与保护气，加热升温，引晶，缩颈，放肩，等径生长，收尾，降温]2[。提拉法的基本思路是将材料熔化，使用籽晶引导熔体在籽晶上继续生长，并通过程序控制拉拔所处的温度场及拉拔速度，旋转速度，使得晶体均匀的纵向及横向生长。晶体提拉法的优点:可以方便地使用定向籽晶和缩颈工艺,以得到完整的晶体和所需取向的晶体。能够以较快的速率生长较高质量的晶体。总之,提拉法生长的晶体完整性很高,而其生长率和晶体尺寸也是令人满意的。3.1.2激光加热提拉法激光加热提拉技术是使用聚焦的激光作为热源，对原料进行加热。可生长出直径小、品质优良的晶体。并且能够观测到晶体生长过程时产生热辐射及晶面形状，以作为控制温度的依据，方便区熔形状与晶体光纤的直径大小的控制。在1974年，贝尔实验室最开始使用LHPG方法生长参杂的YAG晶体，以发光二级管(LED)为激光光源进行晶体生长。LHPG方法是利用经聚焦的2CO连续激光作为热源，加热熔融原始晶棒一端，在以单晶作为籽晶，接触融熔区并开始提拉，从而长出新的晶体。LHPG方法是最引人注目的特点：原料除了可使用的单晶或多晶外，也可将粉末压成块体作为生长晶体的原料。为了避免晶体生长时直径的较大的波动，激光热源要有较高的热稳定性，高稳定性2CO激光能够轻松实现这种要求。LHPG法生长晶体的特点：速度快，采用聚焦的激光作为热源，温度梯度高，相对于提拉法的温度梯度高出近20倍，因而生长速度快。可用于生长直径极小的晶体光纤，生长的晶体光纤的直径与熔区高度相近，甚至可以生长直径约数微米的晶体光纤[39]，无污染，效率高。3.2温度梯度法温度梯度法是由上海光机所周永宗等人于1979年首先实现的一种以定向籽晶诱导单晶生长的垂直温度梯度法该方法主要特点：(1)晶体生长时温度梯度与重力方向相反，并且坩埚、晶体和加热体都不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小；(2)晶体生长以后，由熔体包围，仍处于热区，可精确控制其冷却速率，减小热应力；(3)晶体生长时，固液界面处于熔体包围之中，热扰动在到达固液界面之前可以被减小乃至排除，界面上可获得均匀的温度梯度；(4)生长更大尺寸的晶体时，难于创造良好的温场环境，晶体易炸裂；(5)晶体坯料需要分别进行高温氧化、还原气氛的退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂。3.3水热法制备纳米YAG粉体使用高纯度的3)(OHAl和32OY作为前驱体，碱性环境下水热反应生成纳米级YAG粉体。水热合成法的优点在于可直接生成纳米晶体，避免了一般的液相合成法中的煅烧晶化，从而降低了硬团聚的形成。但该方法的晶化时间长，通常要采用有机分散剂、表面活性剂以制得高质量的纳米粒子。3.4共沉淀法制备纳米YAG粉体共沉淀法是现阶段在YAG纳米粉体合成中应用较多的一种方法]3[。共沉淀法的基本思路是把沉淀剂加入混合的金属盐溶液中（正滴），或者将混合均匀的金属盐溶液滴入沉淀剂中（反滴，YAG常用此方法），使各组分均匀同步沉淀，然后加热分解以获得纳米粉体。Pradhan等用共沉淀法制备了团聚小、分散好的YAG纳米粉体。粉体前驱体在1100℃时反复煅烧几次，湿法球磨后得到粒径为60nm，更易于烧结的YAG纳米晶。得到的粉体与含2％聚乙烯醇（PVA）的甲醇溶剂混合、湿法球磨后，进行冷压成型、排胶，排胶后的样品在1750℃真空烧结4小时，得到半透明的YAG陶瓷，晶粒尺寸为1~5μm；样品在1785℃真空烧结6h时得到透明陶瓷，相对密度达到理论密度的99.9％；粒径均一，晶粒尺寸在5~7μm卢利平等采用湿化学法,以尿素作沉淀剂进行均相沉淀。前驱体在1200灼烧后可得到粒度均匀、分散性好的YAG超细粉体,为进一步制备性能良好的激光透明陶瓷打下了良好的基础。王介强等采用微波均相沉淀法的方法,利用微波加热及高频振荡作用，实现了均匀粉体的稳定制备。通过以上例子可以看出沉淀剂以及表面活性剂的选择对共沉淀法非常重要]64[。要求加入沉淀剂后沉淀相分散好，粒径小。表面活性剂使沉淀颗粒不易团聚。王佳等[13]研究发现表面活性剂的加入量要求适中，过少或过多都会使沉淀晶粒偏大。也可以通过施加外部振动场如微波，超声等来达到较好的分散效果。3.5固相反应法制备YAG粉体固相反应法是合成钇铝石榴石粉体的传统方法。该法是将混合均匀的32OAl和32OY粉末在高温下煅烧，通过32OAl和32OY之间的固相反应依次形成中间相YAM和YAP，最终形成YAG结构。固相反应法产量高，工艺简单。但是合成的晶粒尺寸不均匀，而且粉体合成过程需经过多次球磨，球磨过程中不可避免的易引入杂质并形成晶格缺陷。3.6YAG粉体合成新进展3.6．1金属有机物化学气相沉积法YanhuiLi等人以硝酸钇、硝酸铝、硝酸铕为原料,加入四甲基庚烷聚酯作为螯合剂和燃烧助剂,将原始溶液蒸发后分别以氮气作为载体并混合氧气后在管式反应器内于650~7000C沉积,经过12000C，3h煅烧制备的粉体为球形,粒度约1-2m，存在轻微团聚现象。3.6.2喷雾热解法喷雾热解法是近年来兴起的一种无机材料制备方法,其工艺过程为:先以水、醇或其它溶剂将反应原料配成溶液,再通过喷雾装置将反应液雾化并导入反应器中,在那里将前驱体溶液的雾流干燥,通过热分解或燃烧得到超微粒产物。采用该制备方法,通过调整分散剂的种类和用量,或者对溶液pH值等参数进行调整,制备出低团聚、球形形貌的YAG粉体,但是此工艺制备的颗粒强度低,易出现空心结构,颗粒尺度分布宽,限制了粉体在透明陶瓷烧结上的应用4YAG材料性能YAG晶体属立方晶系,空间群为dIaOh310,其晶格常数为12.0080A。作为基质材料具有优良的光学，热力学，机械加工性能和化学稳定性等优点。其能级结构随掺杂离子的不同而不同。以Yb：YAG为例，Yb：YAG具准有四能级结构，吸收峰和发射峰较为接近，吸收带宽，荧光寿命长，可实现高频率，高功率激光输出，在YAG系列中高频性能最好]1513[。5YAG激光材料应用YAG激光器是军用装备中应用最广泛的一种激光器,主要用作激光雷达、激光测距、激光制导和激光对抗等方面。由于它具有测量精度极高,抗电子干扰能力强,使武器系统的瞄准精度和杀伤威力大大提高,在激光雷达面临反辐射导弹、电子战、低空超低空突防和隐身目标严重威胁的情况下,采用激光系统可以增强武器装备的战斗力和生存能力,起到武器装备能力倍增器的作用,其军事效能已在多次实战中得到验证。YAG激光器在工业中的应用主要是用于材料加工,如切割、焊接、打孔等,不仅使加工质量得到提高,而且提高了工作效率;在医疗方面的应用,主要是作为手术刀,使手术不出血或很少出血,而且可以作一般手术刀无法或难以进行的手术,如脑血管、心血管及眼科手术等。除此之外,YAG激光器还可以为科学研究提供一种精确而快捷的研究手段。6总结与展望：YAG材料的制备方法与其他人工晶体相同。大直径晶体的生长方法主要有提拉法，温度梯度法。纳米粉体的制备方法有水热法，固相反应法，溶胶凝胶法]7[，共沉淀法等。YAG陶瓷的烧结主要有真空烧结，热等静压烧结等方法。由于YAG单晶制备周期长固相法需较高的制备温度,且产品颗粒较粗,硬度较大,不易得到单相结构;燃烧法所制得产物外形不规则、粒径不均匀;溶胶-凝胶法需要醇盐作原料,成本较高;水热法、溶剂热法制备的粉体虽然具有粒度单一、形状可控、合成温度低等优点,但产量和亮度都不尽如人意。可见共沉淀法将是今后制备纳米YAG粉体的主要方法。YAG晶体由于生长周期较长，制备大直径的单晶困难且易产生缺陷，影响其光学性能。相比之下YAG陶瓷光学性能可以满足作为激光基质材料使用，而且制备方法简单，产业化也比晶体更有优势。所以YAG透明陶瓷将是今后重点研究和开发的对象。7参考文献：[1]於海武，段文涛，徐美健，蒋新颖.[J].Yb激光材料综述激光与光电子学进.2007,5.[2]张志斌.[D].Yb：YAG晶体生长及激光性能研究.电子科技大学硕士论文.2005[3]宋琼.苏春辉.张洪波.邵晶.朱晓薇.[J].均相沉淀法制备Nd∶YAG透明激光陶瓷材料研究.激光与红外.2006,1.[4]袁鹏，王勇，李保平.[J].微波均相沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体及其表征.纳米粉体技术.2007,2[5]孙海鹰.[J].氨水、尿素、碳酸氢铵共沉淀法制备YAG超细粉体长春理工大学学报(自然科学版).2008,31(4)[6]宋琴姬.李琳琳.赵福波.徐久军.[J].尿素共沉淀法制备钇铝石榴石粉体及透明陶瓷.大连海事大学学报.2006,3.[7]夏国栋，周圣明，张俊计.凝胶-燃烧法合成YAG:Eu3+纳米荧光材料的结构和发光性能[J]-无机化学学报2005(08)[8]张大江;刘立强.[J].高分子网络凝胶法制备纳米YAG粉体.山东陶瓷.2007.3.[9]Rabinaov