Nd:YAG多晶陶瓷粉体的制备及性能表征

论文摘要

钇铝石榴石（YAG）具有优良的光学、力学和热学性能,掺杂三价钕离子形成的Nd:YAG陶瓷材料可用作荧光粉和激光材料,在机械加工、光学、医疗器械、航空航天和国防兵工等领域有广泛的应用前景。作为一种光学材料,钕原子的掺杂量对Nd:YAG材料的光学性质有重要影响。制备方法不同,其钕原子的掺杂量相差很大。目前,YAG的制备方法主要有：固相法、沉淀法、溶胶凝胶法等。沉淀法由于制备的前驱体颗粒均匀并且可以得到掺杂量较高的陶瓷粉体,而受到重视。同时,国内外已经有部分学者对在体系的晶体结构中掺杂钕原子进行了研究,但是结果显示在A12O3-Y2O3的双组分体系中,添加Nd2O3第三组分,对体系晶相的形成过程的影响比较复杂,其影响机理还不十分清楚。因此本实验拟采用沉淀法制备未掺杂钕原子和掺杂钕原子的钇铝石榴石陶瓷粉体,以研究Nd2O3对于A12O3-Y2O3体系的影响。本实验以硝酸铝、硝酸钇和硝酸钕为无机源,采用尿素均匀沉淀法制备了YAG和Nd:YAG多晶陶瓷粉体,使用X-射线衍射仪,热失重-差热分析仪,扫描电子显微镜,荧光分光光度计等手段研究掺杂前和掺杂后钇铝石榴石粉体的合成及其各种性质,以及钕原子掺杂量对于粉体性质的影响。研究结果显示,采用尿素均匀沉淀法制备的前驱体在900℃焙烧后,可不经YAM和YAP等中间相直接得到纯相YAG粉体。对于不同钕掺杂量的陶瓷粉体,其晶相组成随钕掺杂的增加变得复杂：在钕掺杂量低于5.88at.%范围可得到单一相的YAG粉体；钕掺杂量达到12at.%时除主晶相YAG外还会出现少量的YAM相；钕掺杂量达到25at.%,晶相组成变为YAG、YAM、YAP三相共存。研究还发现,焙烧温度升高会导致产物中YAM和YAP的量减少,有利于YAG相的形成。对于光致发光效果来说,并非钕掺杂量越高越好。测试结果显示,激发和发射光谱强度随钕掺杂量增加呈现先增大后减小的趋势,其最大值出现于钕掺杂量1.69at.%时。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 概述
• 1.1.1 YAG的研究进展
• 1.1.2 YAG的结构
• 1.1.3 YAG激光基质材料
• 1.1.4 Nd：YAG单晶存在的缺陷
• 1.2 Nd：YAG透明陶瓷的历史与现状
• 1.3 陶瓷粉体的合成方法
• 1.3.1 固相反应法
• 1.3.2 沉淀法
• 1.3.3 溶剂热合成法
• 1.3.4 溶胶-凝胶法
• 1.3.5 喷雾热解法
• 1.3.6 水热合成法
• 1.3.7 高分子网络凝胶法
• 1.3.8 气相法
• 1.3.9 其他方法
• 1.4 YAG粉体的表征方法
• 1.4.1 XRD
• 1.4.2 扫描电镜和透射电镜
• 1.4.3 热分析（TG/DSC、TG/DTA）
• 1.4.4 红外光谱法（IR）
• 1.4.5 BET分析
• 1.4.6 激发和发射光谱
• 1.5 课题的选择和目的
• 1.5.1 本研究项目的目的和科学依据
• 1.5.2 本研究项目的研究方案
• 第二章 实验方法
• 2.1 原料
• 2.2 仪器与设备
• 2.3 样品的制备方法及步骤
• 3）₃溶液的制备'>2.3.1 Nd（NO₃）₃溶液的制备
• 2.3.2 Nd：YAG陶瓷粉体的制备
• 2.4 研究方法
• 2.4.1 晶相结构分析
• 2.4.2 形貌观察
• 2.4.3 红外光谱分析
• 2.4.4 综合热分析
• 2.4.5 粉体比表面分析
• 2.4.6 粉体发光性能的分析
• 第三章 粉体晶相组成分析
• 3.1 YAG样品的XRD分析
• 3.2 Nd：YAG多晶粉体的XRD分析
• 3.2.1 掺杂量对晶相的影响
• 3.2.2 焙烧温度对晶相的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 前驱体组成和粉体形貌分析
• 4.1 前驱体组成分析
• 4.2 扫描电镜分析
• 4.3 BET分析
• 4.4 沉淀过程分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 光学性能分析
• 5.1 激发光谱
• 5.2 发射光谱
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件