RU2671550C1 - Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция - Google Patents
Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671550C1 RU2671550C1 RU2017124217A RU2017124217A RU2671550C1 RU 2671550 C1 RU2671550 C1 RU 2671550C1 RU 2017124217 A RU2017124217 A RU 2017124217A RU 2017124217 A RU2017124217 A RU 2017124217A RU 2671550 C1 RU2671550 C1 RU 2671550C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lutetium oxide
- optically transparent
- ceramics based
- sintering
- transparent ceramics
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
Abstract
Использование: для создания оптически прозрачной керамики. Сущность изобретения заключается в том, что способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция заключается в спекании прокаленного пресс-порошка в искровой плазме, при этом максимально допустимая для используемой пресс-формы нагрузка прикладывается перед нагревом. Технический результат - обеспечение возможности снижения коэффициента экстинкции керамики на основе оксида лютенция, спеченной в искровой плазме, более чем в 2 раза. 1 табл.
Description
Область техники
Настоящее изобретение относится к лазерной и сцинтилляционной технике, а более точно касается способа получения керамики на основе оксида лютеция, и может быть использовано в производстве оптически прозрачных материалов
Уровень техники
Оптически прозрачная керамика на основе оксида лютеция, допированная ионами редкоземельных элементов, является перспективной для использования в качестве активной среды твердотельных лазеров и сцинтилляционных устройств благодаря высоким оптическим и термомеханическим характеристикам. Для снижения деполяризации лазерного излучения и увеличения разрешающей способности сцинтилляционных экранов требуется эффективная технология получения, обеспечивающая одновременно высокое оптическое качество керамики и субмикрозернистую структуру.
Известен способ получения лазерной керамики на основе Yb3+:Lu2O3 с размером зёрен 2–100 мкм и коэффициентом пропускания не менее 80% на длине волны 1.06 мкм при толщине образца 2.44 мм, что равносильно коэффициенту экстинкции не более 0.08 см-1, описанный в патенте US №2014/0098411 A1 [Rare earth doped Lu2O3 polycrystalline ceramic laser gain medium, дата приоритета 28.09.2012], заключающийся в синтезе пресс-порошка требуемого состава осаждением из раствора гидроксидом аммония с последующим прокаливанием, смешивании пресс-порошка со спекающей добавкой флюорида лития, горячем прессовании заготовки давлением 50 МПа при температуре 1500–1700 °С в течение 2–6 часов с её дальнейшим горячим изостатическим прессованием давлением аргона 200 МПа при температуре 1300–1800 °С в течение 5 часов.
Недостатком способа является большая длительность этапа спекания (10 часов и более с учетом процесса нагрева), необходимость использования дорогостоящего оборудования горячего изостатического пресса, а также спекающей добавки LiF, которая ухудшает характеристики материала, способствуя интенсивному росту зёрен и получению крупнозернистой структуры керамики.
Известен способ получения оптически прозрачной керамики на основе Lu2O3 с размером зёрен 0.7–20 мкм и коэффициентом пропускания не менее 80% в диапазоне длин волн 0.5–6.5 мкм при толщине образца 1 мм, что равносильно коэффициенту экстинкции не более 0.18 см-1, защищённый патентом US №2008/0025895 A1 [Transparent lutetium oxide sinter, and method for manufacturing same, дата приоритета 02.07.2004], с использованием пресс-порошка оксида лютеция содержанием основного вещества не менее 99.9 масс.% с удельной поверхностью 2–15 м2/г и содержанием агломератов частиц размером 5 мкм не более 10 масс.%, оксида иттрия содержанием 0.01–0.7 масс.% в качестве спекающей добавки, формования заготовки с относительной плотностью не менее 58%, её спекания при температуре 1450–1750 °С с выдержкой 0.5–8 часов и последующего горячего изостатического прессования давлением 49–196 МПа при температуре 1450–1750 °С с выдержкой 0.5–2 часа.
Недостатком способа является большая длительность этапа спекания (6 часов и более с учётом процесса нагрева), необходимость использования дорогостоящего оборудования горячего изостатического пресса, а также наличие этапа введения спекающей добавки, что усложняет весь процесс изготовления.
Известен способ получения керамики на основе оксидов редкоземельных элементов (в том числе, Lu) с размером зёрен 2–6.5 мкм и коэффициентом экстинкции 0.03–0.64 см-1 на длине волны 0.6 мкм, защищённый патентом US №2014/0094357 A1, [Method of manufacturing transparent sesquioxide body, and transparent sesquioxide body manufactured by the method, дата приоритета 02.10.2013], с использованием пресс-порошка оксида лютеция содержанием основного вещества не менее 99.9 масс.%, диоксида циркония содержанием 0.5 вес.% в качестве спекающей добавки, формования заготовки изостатическим давлением 198 МПа, её спекания при температуре 1600–1700 °С с выдержкой 3 часа и последующего горячего изостатического прессования аргоном давлением 98–198 МПа при температуре 1600–1700 °С с выдержкой 3 часа.
Недостатком способа является высокая температура завершающего этапа синтеза керамики (1600 °С и более), большая длительность этапа спекания (6 часов и более с учётом процесса нагрева), необходимость использования дорогостоящего оборудования горячего изостатического пресса, а также наличие этапа введения спекающей добавки, что усложняет весь процесс изготовления.
Известен способ получения магнитооптической керамики на основе Dy2O3 и других оксидов редкоземельных элементов, защищённый патентом US №8641995 B2 [Magneto-optic nanocrystalline oxides and methods of forming the same, дата приоритета 30.08.2011], с использованием спекания порошков в искровой плазме. Исходный коммерческий порошок помещают в пресс-форму, прикладывают давление 71 МПа в течение 1 минуты, сбрасывают давление до 0 МПа, выдерживают заготовку 1 минуту, осуществляют нагрев со скоростью 60 К/мин одновременно с ростом давления со скоростью 35.3 МПа/мин до значения 106 МПа, производят нагрев со скоростью 200 К/мин до достижения температуры 1100 °С, повышают давление до 141 МПа за 1 минуту, выдерживают заготовку 4 минуты, охлаждают спечённый образец со скоростью 130 °С/мин, получают керамику Dy2O3 с размером зёрен менее 0.1 мкм и коэффициентом экстинкции не более 10.1 см-1 на длине волны 0.6328 мкм.
Недостатком данного способа является низкое оптическое качество получаемого поликристаллического материала.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является способ получения оптически прозрачной керамики на основе Yb3+:Lu2O3 [V.S. Kijko, R.N. Maksimov, V.A. Shitov, S.L. Demakov, A.S. Yurovskikh. Sintering of transparent Yb-doped Lu2O3 ceramics using nanopowder produced by laser ablation method. // Journal of Alloys and Compounds 643 (2015) 207-211] с размером зёрен 0.2 мкм и коэффициентом пропускания 75.6% на длине волны 1.08 мкм при толщине образца 1 мм, что равносильно коэффициенту экстинкции 0.74 см-1. Создание образцов керамик реализуют с использованием следующей технологической цепи: получают исходный нанопорошок Yb3+:Lu2O3 методом лазерной абляции твёрдой мишени, прокаливают нанопорошок на воздухе при температуре 1100 °С в течение 1 часа, помещают прокаленный нанопорошок в графитовую пресс-форму диаметром 20 мм и спекают в искровой плазме с плавным нарастанием нагрузки до конечного значения 15 кН в течение нагрева. Нагрев осуществляют со скоростью 135 К/мин до 1100 °С, затем со скоростью 10 К/мин до 1450 °С и выдерживают при конечной температуре 40 минут. Полученный образец обжигают в атмосферной печи при температуре 1400 °С в течение 2 часов, затем шлифуют и полируют поверхности до зеркального блеска.
Недостатком данного способа является низкое оптическое качество получаемого поликристаллического материала.
В основе настоящего изобретения лежит задача разработки эффективного способа получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция, обладающей одновременно низким коэффициентом экстинкции и субмикрозернистой структурой. Поставленная задача решается приложением максимально допустимой для используемой пресс-формы нагрузки перед нагревом при спекании в искровой плазме, благодаря чему увеличивается исходная плотность порошкового тела и, как следствие, уменьшается количество углерода, проникающего внутрь образца и вызывающего формирование центров рассеяния излучения.
Технический результат заключается в снижении коэффициента экстинкции керамики на основе оксида лютеция, спечённой в искровой плазме, более чем в 2 раза.
Предлагаемый способ может быть осуществлён следующим образом. Получают нанопорошок оксида лютеция, предпочтительно методом лазерной абляции твёрдой мишени, изложенном в патенте RU №2353573 C2 [Способ получения нанопорошков и устройство для его реализации, дата приоритета 15.12.2010]. Навеску 5 г полученного нанопорошка оксида лютеция прокаливают на воздухе при температуре 1100 °С. Прокаленный нанопорошок помещают в графитовую пресс-форму диаметром 20 мм, прикладывают нагрузку 15 кН, фиксируют значение нагрузки, осуществляют нагрев со скоростью 135 К/мин до 1100 °С, затем со скоростью 10 К/мин до 1450 °С и выдерживают образец при конечной температуре и нагрузке 40 минут. Полученный образец обжигают в атмосферной печи при температуре 1400 °С в течение 2 часов, затем шлифуют и полируют поверхности до зеркального блеска. Получают оптически прозрачную керамику оксида лютеция диаметром 20 мм и толщиной 1 мм, обладающую коэффициентом экстинкции 0.3 см-1 на длине волны 1.06 мкм по результатам измерений на спектрометре Shimadzu UV-1700 (Япония, Shimadzu Corp.) и средним размером зёрен 0.5 мкм по фотографиям, полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа AURIGA CrossBeam (Германия, Carl Zeiss).
Заявляемые пределы рабочих параметров обусловлены следующими причинами. При температуре спекания ниже 1400 °С получают керамику с высокой пористостью, увеличивающей коэффициент экстинкции, при температуре выше 1500 °С резко возрастает размер зерна, что ухудшает термомеханические характеристики. При выдержке на максимальной температуре более 1 часа происходит неконтролируемое загрязнение керамики углеродом, в результате чего возрастает коэффициент экстинкции. В таблице приведены зависимости коэффициента экстинкции и среднего размера кристаллитов керамики Lu2O3 от температуры и времени выдержки искрового плазменного спекания.
Таблица 1
№ п/п | Температура искрового плазменного спекания, °С | Время выдержки при искровом плазменном спекании, мин | Коэффициент экстинкции, см-1 | Средний размер зерна, мкм |
1 | 1350 | 40 | >>1 | 0.2 |
2 | 1450 | 40 | 0.3 | 0.5 |
3 | 1450 | 80 | 0.97 | 0.7 |
4 | 1450 | 120 | 1.63 | 1.4 |
5 | 1550 | 40 | >>1 | 8.5 |
Таким образом, предлагаемый способ отличается от прототипа режимом приложения нагрузки, в котором максимально допустимая для используемой пресс-формы нагрузка прикладывается перед нагревом. За счёт этого удаётся резко повысить оптическое совершенство керамики на основе оксида лютеция и сохранить её субмикрозернистую структуру.
Claims (1)
- Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция, заключающийся в спекании прокаленного пресс-порошка в искровой плазме, отличающийся тем, что максимально допустимая для используемой пресс-формы нагрузка прикладывается перед нагревом.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017124217A RU2671550C1 (ru) | 2017-07-10 | 2017-07-10 | Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017124217A RU2671550C1 (ru) | 2017-07-10 | 2017-07-10 | Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2671550C1 true RU2671550C1 (ru) | 2018-11-01 |
Family
ID=64103492
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017124217A RU2671550C1 (ru) | 2017-07-10 | 2017-07-10 | Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2671550C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2297397C2 (ru) * | 2001-08-02 | 2007-04-20 | 3М Инновейтив Пропертиз Компани | Стеклокерамика |
US20080025895A1 (en) * | 2004-07-02 | 2008-01-31 | Konoshima Chemical Co., Ltd. | Translucent Lutetium Oxide Sinter, And Method For Manufacturing Same |
US7332453B2 (en) * | 2004-07-29 | 2008-02-19 | 3M Innovative Properties Company | Ceramics, and methods of making and using the same |
US20130075628A1 (en) * | 2011-09-22 | 2013-03-28 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Lutetium oxide-based transparent ceramic scintillators |
US20140098411A1 (en) * | 2011-09-28 | 2014-04-10 | Woohong Kim | RARE EARTH DOPED Lu2O3 POLYCRYSTALLINE CERAMIC LASER GAIN MEDIUM |
US9533892B2 (en) * | 2011-09-02 | 2017-01-03 | The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Flame spray synthesis of monoclinic Lu2O3 nanoparticles |
-
2017
- 2017-07-10 RU RU2017124217A patent/RU2671550C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2297397C2 (ru) * | 2001-08-02 | 2007-04-20 | 3М Инновейтив Пропертиз Компани | Стеклокерамика |
US20080025895A1 (en) * | 2004-07-02 | 2008-01-31 | Konoshima Chemical Co., Ltd. | Translucent Lutetium Oxide Sinter, And Method For Manufacturing Same |
US7332453B2 (en) * | 2004-07-29 | 2008-02-19 | 3M Innovative Properties Company | Ceramics, and methods of making and using the same |
US9533892B2 (en) * | 2011-09-02 | 2017-01-03 | The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Flame spray synthesis of monoclinic Lu2O3 nanoparticles |
US20130075628A1 (en) * | 2011-09-22 | 2013-03-28 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Lutetium oxide-based transparent ceramic scintillators |
US20140098411A1 (en) * | 2011-09-28 | 2014-04-10 | Woohong Kim | RARE EARTH DOPED Lu2O3 POLYCRYSTALLINE CERAMIC LASER GAIN MEDIUM |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yavetskiy et al. | Effect of starting materials and sintering temperature on microstructure and optical properties of Y 2 O 3: Yb 3+ 5 at% transparent ceramics | |
Zhang et al. | Sintering of Yb3+: Y2O3 transparent ceramics in hydrogen atmosphere | |
JP4878343B2 (ja) | 透光性希土類ガリウムガーネット焼結体及びその製造方法と磁気光学デバイス | |
US11161274B2 (en) | Method for manufacturing transparent ceramic material for faraday rotator | |
US10023795B2 (en) | Ceramic composite systems and method | |
WO2014122865A1 (ja) | 透光性金属酸化物焼結体の製造方法及び透光性金属酸化物焼結体 | |
RU2746912C1 (ru) | Способ получения прозрачной ИАГ-керамики | |
JP2008143726A (ja) | 多結晶透明y2o3セラミックス及びその製造方法 | |
US4587067A (en) | Method of manufacturing low thermal expansion modified cordierite ceramics | |
JP2014088309A (ja) | 透明セスキオキサイド焼結体の製造方法及びその製造方法により製造された透明セスキオキサイド焼結体 | |
JP5000934B2 (ja) | 透光性希土類ガリウムガーネット焼結体及びその製造方法と光学デバイス | |
JP2017518253A (ja) | 透光性金属フッ化物セラミック | |
CN113773081A (zh) | 一种透明陶瓷及其制备方法 | |
Esposito et al. | Role of powder properties and shaping techniques on the formation of pore-free YAG materials | |
Gan et al. | Fabrication of submicron-grained IR-transparent Y2O3 ceramics from commercial nano-raw powders | |
RU2671550C1 (ru) | Способ получения оптически прозрачной керамики на основе оксида лютеция | |
JPH05330913A (ja) | レーザ用多結晶透明y2o3セラミックス | |
CN110709368B (zh) | 多晶yag烧结体及其制造方法 | |
Zhu et al. | Effects of ZrO2 concentration on properties of Tm2O3 transparent ceramics by vacuum sintering | |
EP3560905B1 (en) | Transparent aln sintered body and production method therefor | |
Jung et al. | Transparent ceramics for visible/IR windows: processing, materials and characterization | |
JPH05301770A (ja) | レーザ用多結晶透明セラミックス | |
JP5983525B2 (ja) | 透光性金属酸化物焼結体の製造方法 | |
Osipov et al. | Highly transparent ceramics with disordered crystal structure | |
JP6502595B1 (ja) | 多結晶yag焼結体及びその製造方法 |