CN103820859A - 掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法 - Google Patents

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CN103820859A CN201310750513.XA CN201310750513A CN103820859A CN 103820859 A CN103820859 A CN 103820859A CN 201310750513 A CN201310750513 A CN 201310750513A CN 103820859 A CN103820859 A CN 103820859A
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张志斌
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罗辉
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Abstract

本发明提出的一种掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，旨在提供一种可控性强，掺杂钇铝石榴石晶体组分均匀的固态晶体生长方法，本发明通过下述技术方案予以实现：在纳米掺杂钇铝石榴石陶瓷粉料中添加粉体重量0.2%～1%的二氧化硅、氧化镁、氟化锂中至少一种作为烧结助剂，随后同玛瑙球一起以酒精为介质球磨；在600～800℃流动氧气气氛下加热，再将粉料装入不锈钢磨具中干压成型陶瓷素坯，并进一步冷等静压陶瓷素坯，在真空度高于10-3Pa、温度大于1550℃保温得到掺杂钇铝石榴石陶瓷；将钇铝石榴石晶体和掺杂钇铝石榴石陶瓷光胶组合形成复合体，在大于1600℃高温、0～300MPa高压氩气处理20小时；掺杂钇铝石榴石单晶在氢气、氧气或空气气氛下大于1200℃保温100小时以上。

Description

掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法
技术领域
本发明属于非熔融方法制备单晶的领域，特别涉及一种掺杂的钇铝石榴石单晶的固态晶体生长制备方法。
背景技术
掺杂稀土的钇铝石榴石（化学式是RexY3-xAl5O12，简称Re:YAG）属于立方晶系，无双折射效应，具有熔点高、机械性和导热性好、可以在长期光泵辐射条件下保持稳定的光学性能等优点，其单晶已成为当前最重要的固体激光材料之一。可以用来进行材料加工、激光育种、激光医疗、激光信息存储、激光通信、激光测距和目标指示等。由于Re:YAG晶体在生长制备方面的限制，已不能满足高效高功率激光器的发展需求。熔融法生长是制备大块和特定形状的单晶体最常用和最重要的一种方法。然而采用熔融生长技术很难得到高浓度均匀掺杂、光学质量好的大尺寸单晶。由于空间位置效应，钇铝石榴石晶体中Y离子为Re离子所取代受到一定限制，较高的掺杂浓度会在晶体中引起畸变，导致光学质量变差。现有技术高温熔融法制备Re:YAG晶体的主要缺点有：子
（1）生产周期长、成本高。如所有以提拉法来生长Nd:YAG激光晶体的速度都慢，约为0.5毫米/小时，仅有10～15厘米长的毛坯也需要生长几周的时间。此外，YAG单晶的熔点高（1950℃），生长需要昂贵的单晶炉和铱坩埚。
（2）容易引起掺杂Re离子的组分不均匀。
（3）对制备大尺寸Re:YAG晶体有较大限制。目前，大多数采用提拉法生长的Re:YAG激光晶体的尺寸受到了限制，其潜在的输出功率也就受到了限制。
为了解决高温熔融法制备Re:YAG晶体存在的成本高、尺寸小、掺杂浓度低、组分不均匀等问题，人们开始探索非熔融的方法制备掺杂钇铝石榴石单晶。固态晶体生长法制备掺杂钇铝石榴石单晶的过程是先制得多晶的掺杂钇铝石榴石陶瓷，然后通过再加热的方法，将多晶掺杂钇铝石榴石陶瓷转变成单晶的方法。美国专利US5549764采用添加晶种诱导氧化铝陶瓷向单晶转变。美国专利US6475942B1采用添加钼等促进氧化铝陶瓷向单晶转变。Ikesue等人在《Optical Materials》上发表的论文“Fabrication and laser performance ofpolycrystal and single crystal Nd:YAG by advanced ceramic processing”（见Opt.Mater.,2007(9):1289-1294）中公开了一种陶瓷制备方法制Nd:YAG晶体，先通过真空固相反应法制备Nd:YAG陶瓷，再通过加热和YAG晶种诱导促使Nd:YAG陶瓷转化为单晶。同时，Ikesue等人在美国专利US7960191B2中采用类似方法制备YAG晶体和Re:YAG陶瓷的复合结构激光材料。但是Ikesue等人采用的方法操作过于复杂，可控性较差，也没有考虑采用MgO、LiF作为烧结助剂和在加热过程中增加压力等条件促进Re:YAG陶瓷向单晶转变。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种操作简单，可控性强，生产周期短，成本低（不需要铱坩埚），组分均匀的掺杂钇铝石榴石的固态晶体生长方法，以解决现有技术掺杂低、组分不均匀等问题。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在20～200纳米的RexY3-xAl5O12陶瓷粉料（其中X为0.03～0.6）中添加粉体重量0.2%～1%的SiO2、LiF、MgO的一种或多种一起作为烧结助剂，以促进晶粒生长，随后同玛瑙球一起以酒精为介质球磨24～48小时，其中，陶瓷粉料（包括陶瓷粉料和烧结助剂）的体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:2～4:4～8。
（2）陶瓷素坯成型：将上述所得的陶瓷粉体浆料倒入烧瓶中，放入80℃恒温烘箱中干燥48～120小时；待粉体酒精失重95%～99%干燥后，将粉体装入刚玉坩埚中，在600～800℃流动氧气气氛下加热20～40小时，除去残留在素坯中的有机物，然后将粉料装入不锈钢磨具中，在10～20MPa下，保压2～5分钟；从磨具中取出素坯，装入密封袋抽真空密封，用100～200MPa冷等静压5～20分钟；
（3）真空烧结陶瓷：陶瓷素坯放入真空烧结炉中在真空度10-3～10-5Pa、1550～1750℃保温2～10小时，随后降至室温；
（4）陶瓷转化为单晶：将市售钇铝石榴石单晶和上述烧结的掺杂钇铝石榴石陶瓷依次进行抛光、预热处理、光胶后再将此复合体无包裹地放入热等静压炉，在1600～1850℃和0～300MPa的氩气或氧气气氛中保温20～100小时，最后降至室温常压。
（5）掺杂钇铝石榴石单晶的退火：将制备得到的掺杂钇铝石榴石单晶放入气氛烧结炉中，在氢气、氧气或空气气氛下1200～1500℃保温100～500小时，随后降至室温即可。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明采用不同组分和重量的烧结助剂加入到粉料（见实施例），利用加入不同组分、不同重量的烧结助剂促进晶粒生长，进一步增加了陶瓷向单晶转变的速率。
本发明在掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的过程中，先将钇铝石榴石单晶和掺杂钇铝石榴石陶瓷的组合接触面依次进行抛光、预热处理、光胶，增加了陶瓷向单晶转变的可控性。
本发明通过1550～1750℃真空烧结2～10小时，可以得到致密度大于95%的陶瓷。1600～1850℃和0～300MPa的条件可使钇铝石榴石单晶和烧结助剂在高温、高压下共同促使掺杂钇铝石榴石陶瓷向单晶转变。
本发明的掺杂钇铝石榴石单晶在氢气气氛下退火可以有效消除晶体内部残留的小气孔等缺陷。本发明提供了掺杂浓度高、组分均匀的掺杂钇铝石榴石单晶（RexY3-xAl5O12，其中X为0.03～0.6）。
附图说明
图1是本发明掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的原理示意图。
图2是本发明掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的过程示意图。
图3是本发明掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述的掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法作进一步说明。
参阅图1、图2。在Re:YAG陶瓷和YAG晶体的光胶复合体中，Re:YAG陶瓷内部晶粒尺寸明显小于YAG晶体的尺寸，所以Re:YAG陶瓷内部晶粒的表面能比YAG晶体的表面能大；同时，陶瓷内部不同晶粒尺寸的表面能也不同。在高温条件下，Re:YAG陶瓷内部晶粒的表面能将远远大于YAG晶体的表面能。这样在高温处理过程中，YAG晶体将吸收界面的陶瓷晶粒不断长大，长大方向沿着YAG晶体与Re:YAG陶瓷接触面的反方向，生长速度约为1.5～2.5毫米/小时。
根据本发明提供的掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，可以采用如下步骤予以实现：
（1）制备陶瓷粉体
在20～200纳米高掺杂RexY3-xAl5O12，其中X为0.03～0.6，向纯度≥99%的掺杂钇铝石榴石陶瓷粉料中添加粉体重量的0.2%～1%的SiO2、MgO、LiF中的一种或多种作为烧结助剂；以促进晶粒生长，随后同玛瑙球一起以酒精为介质球磨24～48小时，其中，陶瓷粉料（包括陶瓷粉料和烧结助剂）的体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:2～4:4～8。
（2）陶瓷素坯成型
将上述所得陶瓷粉体浆料倒入玻璃烧瓶中，再放入80℃烘箱干燥48～120小时。待粉体干燥，酒精失重95%～99%后将粉体装入刚玉坩埚放入管式气氛电阻炉中，在600～800℃流动氧气气氛下对粉体加热20～40小时除残留在素坯中的有机物，然后将粉料装入不锈钢磨具中，在10～20MPa干压，保压2～5分钟。从磨具中取出素坯，再装入密封袋抽真空并密封后100～200MPa冷等静压，保压5～20分钟。
（3）真空烧结陶瓷
陶瓷素坯放入烧结炉中，在1550～1750℃、陶瓷素坯在真空度10-3～10-5Pa、1550～1750℃保温2～10小时；保温2～10小时，随后降至室温。
（4）陶瓷转化为单晶
先将购买的市售钇铝石榴石单晶和掺杂钇铝石榴石陶瓷的依次进行抛光、预热处理、光胶。再将复合体无包裹地放入热等静压炉，在1600～1850℃和0～300MPa的氩气或氧气气氛中保温20～100小时，最后降至室温常压。
（5）掺杂钇铝石榴石晶体退火
将掺杂钇铝石榴石陶瓷转化的单晶放入气氛烧结炉中进行退火，在氢气、氧气或空气气氛下1200～1500℃保温100～500小时即可，随后降至室温。
实施例1
以六水硝酸钕（Nd(NO3)3·6H2O）、六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）、十二水硫酸铝铵（NH4Al(SO4)2·12H2O）原料，碳酸氢铵（NH4HCO3）为沉淀剂，采用共沉淀法合成Nd0.06Y2.94Al5O12前驱体，经900°C煅烧2小时合成平均粒径尺寸为20纳米的高活性、高分散的Nd0.06Y2.94Al5O12纳米粉体。采用粉体重量0.14%的SiO2作为烧结助剂，采用球磨方法将其混合在Nd0.06Y2.94Al5O12粉体原料中，球磨介质为高纯玛瑙小球，球磨溶剂为酒精，其中粉体的总体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:2:4。球磨48小时后，将Nd0.06Y2.94Al5O12浆料后倒入玻璃烧瓶中，再放入80℃烘箱干燥120小时。待粉体干燥，酒精失重95%～99%后将粉体装入刚玉坩埚放入管式气氛电阻炉中，在600℃流动氧气气氛下对Nd0.06Y2.94Al5O12粉体应加热40小时除残留在陶瓷素坯中的有机物。然后将陶瓷粉料装入不锈钢磨具中，缓慢加压到20MPa压力，并保压2分钟后，缓慢降压到空气压力。从磨具中取出素坯，将陶瓷坯体放入橡胶袋中抽真空、密封，再放到冷等静压机的中，缓慢加压到100MPa压力，并保压20分钟后，缓慢降压到空气压力，取出压制成型的坯体。
将压制好的陶瓷坯体放入真空烧结炉内进行烧结，真空度为1×10-3Pa，烧结程序如下。以10℃/分钟手动升温至600℃，改程序控制，升温阶段：600～1650℃，升温速度为10℃/分钟；保温阶段：1650℃保温6小时；降温阶段：1650℃～1200℃，降温速度为5℃/分钟；1200～700℃，降温速度为10℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
将上述制备得到的Nd0.06Y2.94Al5O12陶瓷和购买的YAG单晶进行单面抛光，使其表面达到高的光洁度和平面度。将表面处理好的Nd0.06Y2.94Al5O12陶瓷片和YAG单晶片预先加热到100℃保温10分钟，除去表面吸附的水和气体，然后对两表面进行光胶。
将YAG晶体和Nd0.06Y2.94Al5O12陶瓷的复合体无包裹地放入热等静压炉进行处理，程序如下。抽到10-3Pa左右后，以10℃/分钟手动升温至600℃；改程序控制，升温阶段：600～1850℃，升温速度为5℃/分钟，缓慢充入微量氩气做保护气氛；保温阶段：1850℃保温100小时；降温阶段：1850℃～1200℃，降温速度为1℃/分钟；1200～700℃，降温速度为2℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
最后将Nd0.06Y2.94Al5O12单晶放入氢气气氛炉中退火处理，程序如下。升温阶段：0～1400℃，升温速度为0.2℃/分钟；保温阶段：1400℃保温200小时；降温阶段：1400℃～700℃，降温速度为0.2℃/分钟；700℃～300℃，降温速度为，1℃/分钟；300℃以下自然降温到室温。
实施例2
以六水硝酸铒（Er(NO3)3·6H2O）、六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）、十二水硫酸铝铵（NH4Al(SO4)2·12H2O）原料，碳酸氢铵（NH4HCO3）为沉淀剂，采用共沉淀法合成Er0.6Y2.4Al5O12前驱体，经1100°C煅烧2小时合成平均粒径尺寸为55纳米的高活性、高分散的Er0.6Y2.4Al5O12纳米粉体；采用粉体重量0.14%的SiO2和0.08%的MgO共同作为烧结助剂，采用球磨方法将其混合在Er0.6Y2.4Al5O12粉体原料中，球磨介质为高纯玛瑙小球，球磨溶剂为酒精，其中粉体的总体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:2:5。球磨36小时后，将Er0.6Y2.4Al5O12浆料后倒入玻璃烧瓶中，再放入80℃烘箱干燥120小时。待粉体干燥，酒精失重95%～99%后将粉体装入刚玉坩埚放入管式气氛电阻炉中，在700℃流动氧气气氛下对Er0.6Y2.4Al5O12粉体应加热30小时除残留在陶瓷素坯中的有机物。然后将陶瓷粉料装入不锈钢磨具中，缓慢加压到20MPa压力，并保压3分钟后，缓慢降压到空气压力。从磨具中取出素坯，将陶瓷坯体放入橡胶袋中抽真空、密封，再放到冷等静压机的中，缓慢加压到150MPa压力，并保压15分钟后，缓慢降压到空气压力，取出压制成型的坯体。
将压制好的陶瓷坯体放入真空烧结炉内进行烧结，真空度为3×10-5Pa，烧结程序如下。以10℃/分钟手动升温至600℃，改程序控制，升温阶段：600～1700℃，升温速度为10℃/分钟；保温阶段：1700℃保温4小时；降温阶段：1700℃～1200℃，降温速度为5℃/分钟；1200～700℃，降温速度为10℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
将上述制备得到的Er0.6Y2.4Al5O12陶瓷和购买的YAG单晶进行单面抛光，使其表面达到高的光洁度和平面度。将表面处理好的Er0.6Y2.4Al5O12陶瓷片和YAG单晶片预先加热到150℃保温10分钟，除去表面吸附的水和气体，然后对两表面进行光胶。
将YAG晶体和Er0.6Y2.4Al5O12陶瓷的复合体无包裹地放入热等静压炉进行处理，程序如下。抽到10-3Pa左右后，以10℃/分钟手动升温至600℃；改程序控制，升温阶段：600～1750℃，升温速度为5℃/分钟，当温度升到800℃开始缓慢充入氧气施压；保温阶段：1750℃保温80小时，压力同时升到100MPa并保压；先降压100～0MPa，降压速度1MPa/分钟，再降温：1750℃～1200℃，降温速度为1℃/分钟；1200～700℃，降温速度为2℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
最后将Er0.6Y2.4Al5O12单晶放入氢气气氛炉中退火处理，程序如下。升温阶段：0～1400℃，升温速度为0.2℃/分钟；保温阶段：1300℃保温500小时；降温阶段：1400℃～700℃，降温速度为0.2℃/分钟；700℃～300℃，降温速度为，1℃/分钟；300℃以下自然降温到室温。
实施例3
以六水硝酸铈（Ce(NO3)3·6H2O）、六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）、十二水硫酸铝铵（NH4Al(SO4)2·12H2O）原料，碳酸氢铵（NH4HCO3）为沉淀剂，采用共沉淀法合成Ce0.09Y2.91Al5O12前驱体，经1300°C煅烧4小时合成平均粒径尺寸为200纳米的高活性、高分散的Ce0.09Y2.91Al5O12纳米粉体；采用粉体重量的0.14%SiO2、0.08%MgO、0.78%LiF共同作为烧结助剂，采用球磨方法将其混合在Ce0.09Y2.91Al5O12粉体原料中，球磨介质为高纯玛瑙小球，球磨溶剂为酒精，其中粉体的总体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:2:5。球磨24小时后，将YAG浆料后倒入玻璃烧瓶中，再放入80℃烘箱干燥120小时。待粉体干燥，酒精失重95%～99%后将粉体装入刚玉坩埚放入管式气氛电阻炉中，在800℃流动氧气气氛下对Nd0.06Y2.94Al5O12粉体应加热20小时除残留在陶瓷素坯中的有机物。然后将陶瓷粉料装入不锈钢磨具中，缓慢加压到15MPa压力，并保压4分钟后，缓慢降压到空气压力。从磨具中取出素坯，将陶瓷坯体放入橡胶袋中抽真空、密封，再放到冷等静压机的中，缓慢加压到100MPa压力，并保压20分钟后，缓慢降压到空气压力，取出压制成型的坯体。再将压制好的陶瓷坯体放入真空烧结炉内进行烧结，真空度为5×10-5Pa，烧结程序如下。以10℃/分钟手动升温至600℃，改程序控制，升温阶段：600～1550℃，升温速度为10℃/分钟；保温阶段：1550℃保温10小时；降温阶段：1550℃～1200℃，降温速度为5℃/分钟；1200～700℃，降温速度为10℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。然后将上述制备得到的Ce0.06Y2.94Al5O12陶瓷和购买的YAG单晶进行单面抛光，使其表面达到高的光洁度和平面度。将表面处理好的Ce0.09Y2.91Al5O12陶瓷片和YAG单晶片预先加热到120℃保温10分钟除去表面吸附的水和气体，然后对两表面进行光胶。
将YAG晶体和Ce0.09Y2.91Al5O12陶瓷的复合体无包裹地放入热等静压炉进行处理，程序如下。抽到10-3Pa左右后，以10℃/分钟手动升温至600℃；改程序控制，升温阶段：600～1700℃，升温速度为5℃/分钟，当温度升到800℃开始缓慢充入氧气施压；保温阶段：1700℃保温100小时，压力同时升到200MPa并保压；先降压200～0MPa，降压速度1MPa/分钟，再降温：1700℃～1200℃，降温速度为1℃/分钟；1200～700℃，降温速度为2℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
最后将Ce0.09Y2.91Al5O12单晶放入空气气氛炉中退火处理，程序如下。升温阶段：0～1400℃，升温速度为0.2℃/分钟；保温阶段：1400℃保温400小时；降温阶段：1400℃～700℃，降温速度为0.2℃/分钟；700℃～300℃，降温速度为，1℃/分钟；300℃以下自然降温到室温。
实施例4
以六水硝酸钬（Ho(NO3)3·6H2O）、六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）、十二水硫酸铝铵（NH4Al(SO4)2·12H2O）原料，碳酸氢铵（NH4HCO3）为沉淀剂，采用共沉淀法合成Ho0.15Y2.85Al5O12前驱体，经1100°C煅烧4小时合成平均粒径尺寸为80纳米的高活性、高分散的Ho0.15Y2.85Al5O12纳米粉体；以粉体重量1%LiF作为烧结助剂，采用球磨方法将其混合在Ho0.15Y2.85Al5O12粉体原料中，球磨介质为高纯玛瑙小球，球磨溶剂为酒精，其中粉体的总体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:4:8。球磨48小时后，将Ho0.15Y2.85Al5O12浆料后倒入玻璃烧瓶中，再放入80℃烘箱干燥40小时。待粉体干燥（酒精失重95%～99%）后将粉体装入刚玉坩埚放入管式气氛电阻炉中，在800℃流动氧气气氛下对粉体加热20小时除残留在素坯中的有机物。然后将陶瓷粉料装入不锈钢磨具中，缓慢加压到10MPa压力，并保压5分钟后，缓慢降压到空气压力。从磨具中取出素坯，将陶瓷坯体放入橡胶袋中抽真空、密封，再放到冷等静压机的中，缓慢加压到150MPa压力，并保压15分钟后，缓慢降压到空气压力，取出压制成型的坯体。将压制好的陶瓷坯体放入真空烧结炉内进行烧结，真空度为1×10-3Pa，烧结程序如下。以10℃/分钟手动升温至600℃，改程序控制，升温阶段：600～1600℃，升温速度为10℃/分钟；保温阶段：1600℃保温8小时；降温阶段：1600℃～1200℃，降温速度为5℃/分钟；1200～700℃，降温速度为10℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
将上述制备得到的Ho0.15Y2.85Al5O12陶瓷和购买的YAG单晶进行单面抛光，使其表面达到高的光洁度和平面度。将表面处理好的Ho0.15Y2.85Al5O12陶瓷片和YAG单晶片预先加热到100℃保温10分钟，除去表面吸附的水和气体，然后对两表面进行光胶。
将晶体和陶瓷的复合体无包裹地放入热等静压炉进行处理，程序如下。抽到10-3Pa左右后，以10℃/分钟手动升温至600℃；改程序控制，升温阶段：600～1700℃，升温速度为5℃/分钟，800℃开始施压，当温度升到800℃开始缓慢充入氩气施压；；保温阶段：1700℃保温100小时，压力同时升到160MPa并保压；；先降压160～0MPa，降压速度1MPa/分钟，再降温阶段：1700℃～1200℃，降温速度为1℃/分钟；1200～600℃，降温速度为2℃/分钟；600℃以下自然降温到室温。
最后将Ho0.15Y2.85Al5O12单晶放入氧气气氛炉中退火处理，程序如下。升温阶段：0～1200℃，升温速度为0.1℃/分钟；保温阶段：1300℃保温380小时；降温阶段：1200℃～700℃，降温速度为0.2℃/分钟；700℃～300℃，降温速度为，1℃/分钟；300℃以下自然降温到室温。
实施例5
以六水硝酸铥（Tm(NO3)3·6H2O）、六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）、十二水硫酸铝铵（NH4Al(SO4)2·12H2O）原料，碳酸氢铵（NH4HCO3）为沉淀剂，采用共沉淀法合成Tm0.3Y2.7Al5O12前驱体，经1100°C煅烧4小时合成平均粒径尺寸为85纳米的高活性、高分散的Tm0.3Y2.7Al5O12纳米粉体；采用粉体重量的0.8%MgO和0.1%LiF共同作为烧结助剂，采用球磨方法将其混合在Tm0.3Y2.7Al5O12粉体原料中，球磨介质为高纯玛瑙小球，球磨溶剂为酒精，其中粉体的总体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:2:6。球磨24小时后，将Tm0.3Y2.7Al5O12浆料后倒入玻璃烧瓶中，再放入80℃烘箱干燥120小时。待粉体干燥，酒精失重95%～99%后将粉体装入刚玉坩埚放入管式气氛电阻炉中，在600℃流动氧气气氛下对Tm0.3Y2.7Al5O12粉体应加热40小时除残留在陶瓷素坯中的有机物。然后将陶瓷粉料装入不锈钢磨具中，缓慢加压到10MPa压力，并保压5分钟后，缓慢降压到空气压力。从磨具中取出素坯，将陶瓷坯体放入橡胶袋中抽真空、密封，再放到冷等静压机的中，缓慢加压到140MPa压力，并保压10分钟后，缓慢降压到空气压力，取出压制成型的坯体。
将压制好的陶瓷坯体放入真空烧结炉内进行烧结，真空度为1×10-4Pa，烧结程序如下。以10℃/分钟手动升温至600℃，改程序控制，升温阶段：600～1650℃，升温速度为10℃/分钟；保温阶段：1650℃保温5小时；降温阶段：1650℃～1200℃，降温速度为5℃/分钟；1200～700℃，降温速度为10℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
将上述制备得到的Tm0.3Y2.7Al5O12陶瓷和购买的YAG单晶进行单面抛光，使其表面达到高的光洁度和平面度。将表面处理好的Tm0.3Y2.7Al5O12陶瓷片和YAG单晶片预先加热到100℃保温5分钟，除去表面吸附的水和气体，然后对两表面进行光胶。
将YAG晶体和Tm0.3Y2.7Al5O12陶瓷的复合体无包裹地放入热等静压炉进行处理，程序如下。抽到10-3Pa左右后，以10℃/分钟手动升温至600℃；改程序控制，升温阶段：600～1650℃，升温速度为5℃/分钟，当温度升到800℃开始缓慢充入氩气施压；保温阶段：1650℃保温90小时，压力同时升到200MPa并保压；；先降压200～0MPa，降压速度1MPa/分钟，再降温：1650℃～1200℃，降温速度为1℃/分钟；1200～700℃，降温速度为2℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
最后将Tm0.3Y2.7Al5O12单晶放入氢气气氛炉中退火处理，程序如下。升温阶段：0～1400℃，升温速度为0.2℃/分钟；保温阶段：1400℃保温400小时；降温阶段：1400℃～700℃，降温速度为0.2℃/分钟；700℃～300℃，降温速度为，1℃/分钟；300℃以下自然降温到室温。
实施例6
以六水硝酸铕（Eu(NO3)3·6H2O）、六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）、十二水硫酸铝铵（NH4Al(SO4)2·12H2O）原料，碳酸氢铵（NH4HCO3）为沉淀剂，采用共沉淀法合成Eu0.07Y2.93Al5O12前驱体，经1200°C煅烧4小时合成平均粒径尺寸为150纳米的高活性、高分散的Eu0.07Y2.93Al5O12纳米粉体；以粉体重量的0.5%LiF和0.4%SiO2共同作为烧结助剂，采用球磨方法将其混合在Eu0.07Y2.93Al5O12粉体原料中，球磨介质为高纯玛瑙小球，球磨溶剂为酒精，其中粉体的总体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:3:6。球磨36小时后，将Eu0.07Y2.93Al5O12浆料后倒入玻璃烧瓶中，再放入80℃烘箱干燥48小时。待粉体干燥，酒精失重95%～99%后将粉体装入刚玉坩埚放入管式气氛电阻炉中，在700℃流动氧气气氛下对粉体加热30小时除残留在素坯中的有机物。然后将陶瓷粉料装入的不锈钢磨具中，缓慢加压到20MPa压力，并保压4分钟后，缓慢降压到空气压力。从磨具中取出素坯，将陶瓷坯体放入橡胶袋中抽真空、密封，再放到冷等静压机的中，缓慢加压到150MPa压力，并保压10分钟后，缓慢降压到空气压力，取出压制成型的坯体。
将压制好的陶瓷坯体放入真空烧结炉内进行烧结，真空度为5×10-4Pa，烧结程序如下。以10℃/分钟手动升温至600℃，改程序控制，升温阶段：600～1700℃，升温速度为10℃/分钟；保温阶段：1700℃保温3小时；降温阶段：1700℃～1200℃，降温速度为5℃/分钟；1200～700℃，降温速度为10℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
将上述制备得到的Eu0.07Y2.93Al5O12陶瓷和购买的YAG单晶进行单面抛光，使其表面达到高的光洁度和平面度。将表面处理好的Eu0.07Y2.93Al5O12陶瓷片和YAG单晶片预先加热到120℃保温5分钟，除去表面吸附的水和气体，然后对两表面进行光胶。
将YAG晶体和Eu0.07Y2.93Al5O12陶瓷的复合体无包裹地放入热等静压炉进行处理，程序如下。抽到10-3Pa左右后，以10℃/分钟手动升温至600℃；改程序控制，升温阶段：600～1800℃，升温速度为5℃/分钟，当温度升到800℃开始缓慢充入氩气施压；保温阶段：1800℃保温20小时，压力同时升到250MPa并保压；；先降压250～0MPa，降压速度1MPa/分钟，再降温阶段：1800℃～1200℃，降温速度为1℃/分钟；1200～600℃，降温速度为2℃/分钟；600℃以下自然降温到室温。
最后将Eu0.07Y2.93Al5O12单晶放入氧气气氛炉中退火处理，程序如下。升温阶段：0～1450℃，升温速度为0.1℃/分钟；保温阶段：1500℃保温100小时；降温阶段：1500℃～700℃，降温速度为0.2℃/分钟；700℃～300℃，降温速度为，1℃/分钟；300℃以下自然降温到室温。
实施例7
以六水硝酸铬（Cr(NO3)3·6H2O）、六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）、十二水硫酸铝铵（NH4Al(SO4)2·12H2O）原料，碳酸氢铵（NH4HCO3）为沉淀剂，采用共沉淀法合成Cr0.09Y2.91Al5O12前驱体，经1250°C煅烧2小时合成平均粒径尺寸为180纳米的高活性、高分散的Cr0.09Y2.91Al5O12纳米粉体；采用粉体重量的0.2%MgO作为烧结助剂，采用球磨方法将其混合在Cr0.09Y2.91Al5O12粉体原料中，球磨介质为高纯玛瑙小球，球磨溶剂为酒精，其中粉体的总体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:2:4。球磨24小时后，将Cr0.09Y2.91Al5O12浆料后倒入玻璃烧瓶中，再放入80℃烘箱干燥120小时。待粉体干燥，酒精失重95%～99%后将粉体装入刚玉坩埚放入管式气氛电阻炉中，在600℃流动氧气气氛下对Cr0.09Y2.91Al5O12粉体应加热40小时除残留在陶瓷素坯中的有机物。然后将陶瓷粉料装入不锈钢磨具中，缓慢加压到16MPa压力，并保压5分钟后，缓慢降压到空气压力。从磨具中取出素坯，将陶瓷坯体放入橡胶袋中抽真空、密封，再放到冷等静压机的中，缓慢加压到180MPa压力，并保压16分钟后，缓慢降压到空气压力，取出压制成型的坯体。
将压制好的陶瓷坯体放入真空烧结炉内进行烧结，真空度为1×10-5Pa，烧结程序如下。以10℃/分钟手动升温至600℃，改程序控制，升温阶段：600～1750℃，升温速度为10℃/分钟；保温阶段：1750℃保温2小时；降温阶段：1750℃～1200℃，降温速度为5℃/分钟；1200～700℃，降温速度为10℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
将上述制备得到的Cr0.09Y2.91Al5O12陶瓷和购买的YAG单晶进行单面抛光，使其表面达到高的光洁度和平面度。将表面处理好的Cr0.09Y2.91Al5O12陶瓷片和YAG单晶片预先加热到150℃保温5分钟，除去表面吸附的水和气体，然后对两表面进行光胶。
将YAG晶体和Cr0.09Y2.91Al5O12陶瓷的复合体无包裹地放入热等静压炉进行处理，程序如下。抽到10-3Pa左右后，以10℃/分钟手动升温至600℃；改程序控制，升温阶段：600～1600℃，升温速度为5℃/分钟，当温度升到800℃开始缓慢充入氩气施压；保温阶段：1600℃保温80小时，压力同时升到300MPa并保压；先降压300～0MPa，降压速度1MPa/分钟，再降温阶段：1600℃～1200℃，降温速度为1℃/分钟；1200～700℃，降温速度为2℃/分钟；700℃以下自然降温到室温。
最后将Cr0.09Y2.91Al5O12单晶放入氢气气氛炉中退火处理，程序如下。升温阶段：0～1200℃，升温速度为0.2℃/分钟；保温阶段：1200℃保温500小时；降温阶段：1400℃～700℃，降温速度为0.2℃/分钟；700℃～300℃，降温速度为，1℃/分钟；300℃以下自然降温到室温。

Claims (9)

1.一种掺杂钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的方法，所述掺杂钇铝石榴石单晶（RexY3-xAl5O12，其中X为0.03～0.6）掺杂浓度高、组分均匀；其工艺步骤如下：
（1）陶瓷粉料：在纯度大于99%的RexY3-xAl5O12掺杂钇铝石榴石粉体中，按粉体重量的0.2%～1%添加SiO2、MgO、LiF中的一种或多种作为烧结助剂，随后同玛瑙球一起以酒精为介质球磨24～48小时；上述陶瓷粉料（包括陶瓷粉料和烧结助剂）的体积：玛瑙球的体积：酒精的体积=1:2～4:4～8；
（2）陶瓷素坯成型：将上述所得的陶瓷粉体浆料倒入烧瓶中，放入80℃恒温烘箱中干燥48～120小时；待粉体酒精失重95%～99%干燥后，将粉体装入刚玉坩埚中，在600～800℃流动氧气气氛下加热20～40小时，除去残留在素坯中的有机物，然后将粉料装入不锈钢磨具中，在10～20MPa下，保压2～5分钟；从磨具中取出素坯，装入密封袋抽真空密封，用100～200MPa冷等静压5～20分钟；
（3）真空烧结陶瓷：陶瓷素坯放入真空烧结炉中，在真空度10-3～10-5Pa、1550～1750℃保温2～10小时，随后降至室温；
（4）陶瓷转化为单晶：将市售钇铝石榴石单晶和上述烧结的掺杂钇铝石榴石陶瓷依次进行抛光、预热处理、光胶后再将此复合体无包裹地放入热等静压炉，在1600～1850℃和0～300MPa氩气或氧气气氛中保温20～100小时，最后降至室温常压；
（5）掺杂钇铝石榴石单晶的退火：将制备得到的掺杂钇铝石榴石单晶放入气氛烧结炉中，在氢气、氧气或空气气氛下1200～1500℃保温100～500小时，随后降至室温即可。
2.根据权利要求1所述的将掺杂的钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）RexY3-xAl5O12纳米粉体，其中X为0.03～0.6，Re为钕（Nd）、铒（Er）、铈（Ce）、钬（Ho）、铥（Tm）、铕（Eu）和铬（Cr）中的一种。
3.根据权利要求1所述的将掺杂的钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）以六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）、十二水硫酸铝铵（NH4Al(SO4)2·12H2O）和Re(NO3)3·6H2O为原料，以碳酸氢铵（NH4HCO3）为沉淀剂，采用共沉淀法合成RexY3- xAl5O12前驱体，经900～1300℃煅烧2～4小时合成平均粒径尺寸为20～200纳米的高活性、高分散、高纯（纯度大于99%）的RexY3-xAl5O12纳米粉体。
4.根据权利要求1所述的将掺杂的钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，其特征在于：添加烧结助剂的重量为粉料重量的0.2～1%，烧结助剂为SiO2、MgO、LiF中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的将掺杂的钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，其特征在于：本发明对去除残留有机物后的陶瓷粉体采用干压结合冷等静压的成型方法，进一步增加了陶瓷素坯的强度。
6.根据权利要求1所述的将掺杂的钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，其特征在于：采用在真空度10-3～10-5Pa、1550～1750℃保温2～10小时真空烧结陶瓷素坯，可以得到致密度大于95%的陶瓷。
7.根据权利要求1所述的将掺杂的钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，其特征在于：先将钇铝石榴石单晶和掺杂钇铝石榴石陶瓷依次进行表面抛光、预热处理和光胶。
8.根据权利要求1所述的将掺杂的钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，其特征在于：钇铝石榴石单晶和掺杂钇铝石榴石陶瓷光胶后的复合体无包裹地放入热等静压炉，在0～300MPa的氩气或氧气气氛中1600～1850℃保温20～100小时，最后降至室温常压。
9.根据权利要求1所述的将掺杂的钇铝石榴石陶瓷转变为单晶的制备方法，其特征在于：掺杂钇铝石榴石晶体在气氛烧结炉中退火，在氢气、氧气或空气气氛下1200～1500℃保温100～500小时即可。
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