[发明专利]一种纳米结构钇铝石榴石基透明陶瓷材料、其制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种纳米结构YAG基透明陶瓷材料、其制备方法及用途。所述透明陶瓷具有由YAG和Al₂O₃构成的纳米复相结构，且YAG晶相和Al₂O₃晶相的晶粒尺寸均小于100nm。本发明通过对非晶块体玻璃前驱体进行热处理制备YAG基透明陶瓷，热处理过程中，块体玻璃前驱体中的一部分氧化铝与氧化钇反应，生成YAG晶相，生成的YAG晶相和剩余的氧化铝晶相构成复相纳米结构。该YAG基透明陶瓷材料表现出媲美甚至优于YAG单晶的硬度和弹性模量，在可见光至中红外波段光学透明，经发光激活离子掺杂后可表现出优异的光致发光性能，在激光、荧光、闪烁发光、光学透镜、工艺品及珠宝饰品等领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于透明陶瓷材料技术领域，涉及一种纳米结构钇铝石榴石基透明陶瓷材料、其制备及用途。

背景技术

钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂,YAG)透明陶瓷是一种重要的光致发光基质材料，具有优异的力学、热性能、高温稳定性以及光学性能，在激光、荧光和闪烁发光等领域都有重要的应用。从目前的报道来看，YAG透明陶瓷的制备主要采用的是粉末烧结技术。但要使YAG陶瓷达到高度透明，要求原料纯度高、晶粒细且分散性好，需要特殊的烧结手段充分排除陶瓷中的气孔，实现陶瓷的充分致密化并且晶界极薄。因而，利用粉末烧结法制备YAG透明陶瓷，对原料、设备、成型和烧结工艺有极其苛刻的要求，难以满足商业化生产的要求。此外，在粉末长时间烧结过程伴随着YAG晶粒的长大，因此粉末烧结法制备的YAG透明陶瓷往往是微米晶陶瓷，难以得到纳米结构。而根据Hall-petch公式和Rayleigh scattering公式，纳米结构的陶瓷材料往往能获得更加优异的力学以及光学性能。

将块体玻璃材料在适当的温度下进行晶化处理以获得透明陶瓷(即非晶晶化法)是制备YAG透明陶瓷的新思路，能够有效避免粉末烧结法所存在的制备条件苛刻等的缺点。但目前尚没有利用非晶晶化法成功制备出YAG透明陶瓷的报道。主要原因是若直接将具有YAG成分的块体玻璃材料进行热处理，在晶化过程中YAG晶粒会迅速生长，同时伴随有大量的气孔和微裂纹的产生，导致晶化后得到的陶瓷材料完全失透。严格控制晶化时间和晶化温度，使非晶中YAG相只能部分析出，或者向玻璃组分添加大量第三组元(如La₂O₃、SiO₂等)均能够有效抑制晶化过程中YAG晶粒的过分生长，得到YAG基的透明玻璃陶瓷材料。但所获得的透明玻璃陶瓷材料包含有大量的非晶相，YAG相在整个透明陶瓷中的含量较低(一般小于20wt％)，所制备的透明陶瓷(玻璃陶瓷)材料的力学性能(如硬度、强度等)、热力学性能(如热导率等)以及光学性能(光致发光量子效率等)均远低于粉末烧结法所制备的YAG透明陶瓷。延长晶化时间、增加晶化温度或者减少玻璃组分中第三组元的添加量以增加陶瓷中YAG相的含量，但在晶化过程中，随着YAG结晶相含量的增加，YAG的晶粒也不可避免的而增长到亚微米甚至微米级，所制备的陶瓷材料变为半透明或完全不透明。

上海光机所的周圣明等学者在发明专利“一种用于白光LED荧光转换的复合相透明陶瓷及其制备方法”(申请号：2015100678616)及相关文章中也报道了一种YAG基复相透明陶瓷材料。但该透明陶瓷材料是由传统的粉末烧结的方法制得的，在烧结过程中YAG及Al₂O₃晶粒不可避免的过分长大。因此所制备的陶瓷材料为微米陶瓷，透光性也因此受到影响，仅能做到半透明。

发明内容

针对已有技术的问题，本发明的目的在于提供一种新型的纳米结构的YAG基透明陶瓷材料、其制备方法及用途。本发明的YAG基透明陶瓷材料在可见光至中红外波段是光学透明的，其在可见光至红外波段透过率非常高，YAG单晶的理论最大透过率为85％，本发明的YAG基透明陶瓷材料的透过率在YAG单晶的理论最大透过率的60％以上，在光学透镜领域有重要应用前景。所述的YAG基透明陶瓷材料表现出可以媲美甚至超越YAG单晶的高硬度及弹性模量，在高档珠宝及装饰品领域有重要应用前景。