M：Al-,2-O-,3-(M=Cr，Ti)納米粉體及透明陶瓷的制備與性能研究.pdf

1、以Al2O3為基質(zhì)的激光材料具有硬度高，透光性與光學(xué)均勻性好，熱導(dǎo)率高，化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前主要有紅寶石(Cr3+:Al2O3)和鈦寶石(Ti:Al2O3)。紅寶石晶體是最早和最重要的固體激光材料，作為產(chǎn)生可見(jiàn)光區(qū)域的高功率激光工作物質(zhì)目前仍被廣泛應(yīng)用。鈦寶石晶體是最佳寬帶可調(diào)諧激光晶體，具有增益帶寬，高飽和通量、高激光破壞閾值等特點(diǎn)，是綜合性最好、應(yīng)用最廣泛的可調(diào)諧激光材料。但是單晶制作成本很高，高摻雜困難，生長(zhǎng)單晶尺寸也受

2、到很大限制。相對(duì)于單晶而言，透明陶瓷因?yàn)橹苽渲芷诙?、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高，而且易獲得大尺寸、易于加工、摻雜濃度高等優(yōu)點(diǎn)，因此成為近年來(lái)材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 本文主要以Cr3+:Al2O3透明陶瓷為研究對(duì)象。研究了不同工藝制備Cr3+:Al2O3、Ti:Al2O3納米粉體的性能，確定了納米粉體最佳制備工藝條件。研究了制備工藝條件、Cr3+離子摻雜濃度等對(duì)Cr3+:Al2O3透明陶瓷性能的影響。利用熱重/差熱分析(TG/DTA

3、)、紅外光譜(IR)、X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、電子能譜(EDS)、熒光光譜等技術(shù)對(duì)前驅(qū)物、納米粉體及透明陶瓷進(jìn)行表征。1.Cr3+:Al2O3納米陶瓷粉體的制備 采用共沉淀法首次制備出Cr3+:Al2O3納米陶瓷粉體。以碳酸氫銨為沉淀劑，并與硝酸鹽的混合溶液反應(yīng)得到NH4MO(OH)HCO3(M=Al3+、Cr3+)前驅(qū)體，在1200℃下保溫1.0h得到純?chǔ)? Al2O3晶相；研究分散劑、反

4、應(yīng)物初始濃度、pH值、Cr3+摻雜濃度等對(duì)粉體的形貌以及發(fā)光性能的影響。(NH4)2SO4的引入提高了納米粉體的分散性，粉體顆粒分布均勻，平均粒徑為58nm；樣品的激發(fā)峰位于429nm和588nm，分別對(duì)應(yīng)著Cr3+離子4A2→4T2和4A2→4T1的能級(jí)躍遷；發(fā)射峰值位于693nm和668nm，693nm對(duì)應(yīng)Cr3+離子4A2組態(tài)間2Eg→4A2g躍遷的R熒光譜線，而668nm為“藍(lán)移”的另一組R線與Cr3+離子2T1g→4A2g輻射

5、躍遷的T(T1，T2，T3)組熒光譜線在此處相互疊加。C13+離子的最佳摻雜濃度為1.0wt％。 采用低溫燃燒法首次制備Cr3+:Al2O3納米粉體。研究以不同燃料(尿素、檸檬酸)制得粉體的性能。以尿素為燃料制得的粉體嚴(yán)重團(tuán)聚。以檸檬酸為燃料(溶膠-凝膠低溫燃燒法)制成的凝膠于500℃使之發(fā)生燃燒反應(yīng)，再將燃燒產(chǎn)物于1000℃煅燒1.0h后，為α-Al2O3的單相氧化物粉體，乙二醇作為分散劑可提高粉體的分散性。兩種不同燃料制備的

6、納米粉體的激發(fā)峰位于429nm和588nm，發(fā)射峰值位于693nm和668 nm。Cr3+離子的最佳摻雜濃度均為1.0wt％。 2.Ti:Al2O3納米陶瓷粉體的制備 采用共沉淀法、溶膠-凝膠低溫燃燒法合成了Ti：Al2O3納米粉體。共沉淀法制備的前驅(qū)體于1200℃煅燒1.0h得到了平均粒徑小于50nm、形狀為球形或類球形純的α-Al2O3晶相，Ti離子摻雜濃度為2.0wt％時(shí)，也無(wú)中間相生成。溶膠-凝膠低溫燃燒法制的前

7、驅(qū)物于1000℃、保溫1.0h直接得到純的α-Al2O3晶相。 3.Cr3+:Al2O3透明陶瓷的制備 確定了共沉淀法制備的Cr3+:Al2O3納米粉的燒結(jié)性能好于溶膠-凝膠低溫燃燒法制備的粉體。分析了添加劑對(duì)陶瓷性能的影響：添加劑的量均應(yīng)有最佳成分點(diǎn)，越接近該點(diǎn)，燒結(jié)試樣性能將會(huì)越好；MgO的添加量為0.1wt％，La2O3的添加量為0.15wt％，Y2O3的添加量為0.05wt％。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、