立方結(jié)構(gòu)的 Y2O3材料無雙折射效應(yīng), 有利于透明陶瓷的制備, Y2O3 陶瓷的光學(xué)透明性范圍較寬, 聲子能量較低,易實(shí)現(xiàn)稀土離子的摻雜。 同時(shí), Y2O3 材料具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能, 有利于材料的實(shí)際應(yīng)用。 經(jīng)研究, Y2O3 透明陶瓷在高溫窗口、 紅外頭罩、 閃爍、 激光等眾多領(lǐng)域有著巨大的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。 重點(diǎn)介紹 Y2O3透明陶瓷和稀土摻雜的 Y2O3透明陶瓷的制備工藝進(jìn)展, 對(duì) Y2O3材料在高溫窗口、 閃爍、 激光應(yīng)用等領(lǐng)域前景做出評(píng)估。

關(guān)鍵詞: Y2O3 ; 透明陶瓷; 高溫窗口; 閃爍陶瓷; 激光

常溫條件下, Y2O3 為穩(wěn)定的 c 型立方結(jié)構(gòu)的稀土氧化物, 其空間群為 Ia3(T 7 h ), 晶格常數(shù)為 1郾 060 nm, 一個(gè)原胞中包含 32 個(gè) Y 3+和 48 個(gè) O 2- 。 其中, Y 3+在基體中有兩種格位: 有 24 個(gè) Y 3+位于高對(duì)稱性的 S6格位, 8 個(gè) Y 3+位于低對(duì)稱性的 C2 格位。所有陽(yáng)離子的配位數(shù)均為 6。

Y2O3 的作為基體的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)主要包括: 光學(xué)透明性范圍較寬(0. 23 ~ 8. 0 m); 較寬的禁帶寬度; 低輻射躍遷的率[1] ; 熱導(dǎo)率高, 約為 13郾 6 W/ (m?K); Y2O3 透明陶瓷有著諸多的性能優(yōu)勢(shì), 在高溫窗口、 紅外探測(cè)、 發(fā)光介質(zhì)等鄰域都有應(yīng)用價(jià)值[2] 。 本文總結(jié)了 Y2O3 透明陶瓷的研究和發(fā)展, 對(duì) Y2O3 透明陶瓷在不同領(lǐng)域的研究與應(yīng)用做出總結(jié)。 

1 、Y2O3 的陶瓷的發(fā)展

 1966 年, Brissette 等[3]首次采用熱機(jī)械形變的方法制備出 Y2O3 透明陶瓷; 1967 年, Lefever 等[4] 采用真空熱壓燒結(jié)的方式制備 Y2O3 透明陶瓷, LiF 作為燒結(jié)助劑, 過程保溫溫度為 950 益 , 時(shí) 間 48 h, 壓 力 69 ~ 83 MPa; 1973 年, Greskovich 等[5]采用 ThO2 為燒結(jié)助劑, 制備高透過率 Y2O3 陶瓷, 但是陶瓷的晶粒尺寸多大(100 ~ 150 滋m), 致使陶瓷的機(jī)械性能較差; 1981 年, Rhodes [6]合成了含有燒結(jié)助劑 8mol% ~ 12mol% La2O3 的 Y2O3 透明陶瓷, 并闡述了燒結(jié)機(jī)制為瞬時(shí)液相燒結(jié)機(jī)制, Wei 等[7]制備了 La2O3 增韌的 Y2O3 透明陶瓷, 證明其在紅外截止波長(zhǎng)要大于其他的材料, 見表 1, 但是其熱導(dǎo)率有所下降;

1985 年, Y2O3 透明陶瓷作為導(dǎo)彈窗口和球罩材料受到了廣泛的研究; 1986 年, Rhodes [8] 制備了 A12O3 和 Y2O3 復(fù)相陶瓷; 1988 年, Gyozo 制備了 Y2O3 透明陶瓷, 采用 BeO 作為燒結(jié)助劑; 燒結(jié)過程中燒結(jié)助劑和 Y2O3 形成液相, 加速傳質(zhì), 保溫溫度為 2200 益 , 無壓燒結(jié)工藝; 1996 年, Ikesue 等[9]合成了含有 Nd2O3 的 Y2O3 透明陶瓷(1mol% Nd 3+ :Y2O3 ), 2郾 5 滋m 處透過率可達(dá)到 80% 。 Saito 等[10] 、 Ikegami 等[11-12] 、 聞雷等[13] 均采用濕化學(xué)法結(jié)合真空燒結(jié)技術(shù)制備了較高光學(xué)質(zhì)量的 Y2O3 透明陶瓷; Ikegami 闡述了沉淀法中分散劑(NH4 )2 SO4 的作用, 分散劑可以起到空間位阻的作用, 滴定時(shí)可以使顆粒更加的圓滑, 前驅(qū)體煅燒過程中可以防止晶粒之間團(tuán)聚[12] 。 圖 2 為納米粉體合成的工藝流程。 此外 Bagayev 等[14] 利用脈沖激光沉積技術(shù)合成 Nd:Y2O3 粉體, 粉體的尺寸約為 10 nm, 且團(tuán)聚較弱, 并采用獨(dú)特的磁脈沖壓縮技術(shù)在 0郾 5 ~ 1郾 5 GPa 高壓成型, 在結(jié)合真空燒結(jié)技術(shù)成功制備 Nd:Y2O3 透明陶瓷, 同時(shí)采用所制備的陶瓷實(shí)現(xiàn)斜率效率約15% 的1郾 08 滋m 激光輸出。 2003 年, 章健[15] 采用共沉淀法合成不同稀土離了摻雜的 Y2O3 透明陶瓷。 2005 年, 楊秋紅[16] 成功制備高光學(xué)質(zhì)量的摻 Nd 3+ 和 Yb 3+ 的 (Y,La)2O3 透明陶瓷, 實(shí)現(xiàn) Nd 3+ :(Y,La)2O3 陶瓷的激光輸出。

2 、Y2O3 的陶瓷的應(yīng)用 

2.1 窗口材料 紅外窗口是紅外成像引導(dǎo)頭的關(guān)鍵部件, 位于成像系統(tǒng)的最 前端。 紅外窗口材料的優(yōu)異的光學(xué)性能以及機(jī)械性能是保證紅外 成像質(zhì)量的前提, 對(duì)于窗口材料而言, 主要有表 1 中材料[17-24] 。 Y2O3 在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(0郾 23 ~ 8郾 0 滋m)都具有較高的透過率使 得其成為熱點(diǎn)。 

2.2高壓氣體放電燈燈管

Y2O3 有著能耐金屬鈉蒸氣和其他金屬鹵化物蒸氣腐蝕的 化學(xué)穩(wěn)定性。 同時(shí)光學(xué)性能和機(jī)械性能都能達(dá)到應(yīng)用要求。 圖 4 為 Wei [25]制備的采用 La2O3 增強(qiáng) Y2O3 的陶瓷金屬鹵化物 燈燈管。 Lu [26]采用納米粉體制備了 Y2O3 陶瓷, 燒結(jié)的溫度相 對(duì)較低 ( 1750 oC), 同時(shí)制備的陶瓷的晶粒尺寸較小 ( 2 ~ 5 滋m), 具有較好的機(jī)械性能。

2. 3 Y2O3 基閃爍陶瓷

20 世紀(jì) 80 年代, 在 Y2O3 研究的基礎(chǔ)上, 采用高溫加上氫氣氣氛燒結(jié)制備(Y,Gd)2O3 :Eu,Pr 透明閃爍陶瓷[27] , 且具有較高的光學(xué)質(zhì)量。 Gd2O3 的摻雜有效的增加陶瓷的密度和有效原子系數(shù), 提高了陶瓷對(duì) X 射線的吸收能力, 該材料由于具有較高的光輸出、 與電荷靈敏度曲線的匹配性良好, 作為陶瓷閃爍體已裝備于 GE 醫(yī)療部門所生產(chǎn)的 X-CT 上, 實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。 表 2 列出 ( Y, Gd)2O3 : Eu, Pr ( YGO)、 Gd2O2 S: Pr, Ce, F (GOS)和 Gd3Ga5O12 :Cr、 Ce(GGG) Lu2O3 :Eu 閃爍陶瓷的性能對(duì)比[27]

2. 4 Y2O3 :RE 3+透明激光陶瓷

1972 年, Anderson [28]報(bào)道了采用 Nd:Y2O3 透明陶瓷為增益介質(zhì), 獲得了激光輸出。 之后, Greskovich 等[29-30] 報(bào)道采用 Nd 3+ :Y2O3 -ThO2 透明陶瓷為增益介質(zhì), 在閃光燈泵浦條件下, 獲得激光閾值和斜率效率達(dá)到商業(yè)釹玻璃的水平。 在 2001 年, Lu 等[26]首次報(bào)道 LD 泵浦條件下 1郾 5moL% Nd:Y2O3 基透明陶瓷實(shí)現(xiàn)激光輸出。 采用 LD 為泵浦源, 泵浦波長(zhǎng)為 807 nm, 泵 浦功率為 742 mW, 獲得了激光輸出, 功率為 160 mW, 32% 斜率效率。 如今 Y2O3 透明陶瓷可以實(shí)現(xiàn)的最高輸出功率為 10郾 5 W, 最短脈沖寬度達(dá)為 68 fs。 在倍半氧化物體系中, Nd 3+ 和 Yb 3+摻雜的 Lu2O3 , Sc2O3 , Y2O3 , YGdO3 材料實(shí)現(xiàn)了激光震蕩[31-35] , 表 3 為不同氧化物陶瓷激光器的性能參數(shù)。

3.結(jié) 語(yǔ)

通過長(zhǎng)期的研究, Y2O3 作為基體材料已成功地用于醫(yī)學(xué) CT, 激光介質(zhì)和高溫紅外窗口等領(lǐng)域。 制備高質(zhì)量的 Y2O3 透明陶瓷一直是研究的熱點(diǎn), 高質(zhì)量的粉體就顯得尤為重要。 多種粉體合成方式被報(bào)道出來, 但是本質(zhì)都是為了合成高分散性、 高純度、 優(yōu)異燒結(jié)活性的粉體。 陶瓷燒結(jié)工藝也會(huì)根據(jù)材料的應(yīng)用需求有所改進(jìn), 隨著粉體合成技術(shù)和燒結(jié)工藝的發(fā)展, Y2O3 透明陶瓷制備工藝會(huì)更加深入, Y2O3 陶瓷在潛在的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)發(fā)揮更大的作用。