RU2705848C1 - Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof - Google Patents

Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2705848C1
RU2705848C1 RU2018128755A RU2018128755A RU2705848C1 RU 2705848 C1 RU2705848 C1 RU 2705848C1 RU 2018128755 A RU2018128755 A RU 2018128755A RU 2018128755 A RU2018128755 A RU 2018128755A RU 2705848 C1 RU2705848 C1 RU 2705848C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
yttrium
aluminum
erbium
ytterbium
grinding
Prior art date
Application number
RU2018128755A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Федорович Голота
Дмитрий Сергеевич Вакалов
Екатерина Александровна Евтушенко
Станислав Николаевич Кичук
Людмила Викторовна Тарала
Федор Федорович Малявин
Любовь Дмитриевна Прокопенко
Ирина Сергеевна Чикулина
Марина Сергеевна Шама
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority to RU2018128755A priority Critical patent/RU2705848C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2705848C1 publication Critical patent/RU2705848C1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/44Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/50Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on rare-earth compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: manufacturing technology.
SUBSTANCE: invention relates to production of ceramics based on yttrium-aluminum garnet (YAG), activated with rare earth elements: erbium or ytterbium, used as substrates for microcircuits, shells of sodium lamps of high pressure, for insulators in thermionic converters and in optoelectronics. Method of producing material involves synthesis of hydroxides of yttrium, scandium, aluminum and erbium or ytterbium by co-precipitation of salts YCl3*6H20, AlCl3*6H2O and ErCl3⋅6H2O or YbCl3*6H2O in stoichiometric ratio with addition of scandium chloride in amount of 20 mol% over stoichiometry; milling and calcination at temperature 1,200–1,250 °C; synthesis of compensating additive Al(OH)3; combined grinding of hydroxides and compensating additive in planetary mill; sieving; formation of compact with subsequent sintering and annealing in air. Compensating additive in form of submicron powder of aluminum hydroxide with particle size of less than 1 micron, in amount of 5 to 10 wt% at the powder grinding step in the planetary mill is introduced based on X-ray phase analysis data and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS analysis).
EFFECT: invention results in production of stable single-phase material having high operational characteristics: light transmission, heat resistance, heat conductivity, dielectric permeability and strength.
2 cl, 1 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области получения керамики на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного редкоземельными элементами, такими как эрбий или иттербий. Заявленный прозрачный керамический материал может быть использован в качестве подложек для микросхем, оболочек натриевых ламп высокого давления, для изоляторов в термоэмиссионных преобразователях и в оптоэлектронике, а при введении в него ионов-активаторов (Nd3+, Eu3+, Cr3+ и др.) материал эффективен в качестве рабочей среды твердотельного лазера.The invention relates to the field of producing ceramics based on yttrium-aluminum garnet activated by rare-earth elements, such as erbium or ytterbium. The claimed transparent ceramic may be used as a substrate for chips, membranes High pressure sodium lamps, for insulators in thermionic converters and optoelectronics, and the introduction into it of activator ions (Nd 3+, Eu 3+, Cr 3+, etc. .) the material is effective as a working medium of a solid-state laser.

Из уровня техники известен способ получения поликристаллического иттрий-алюминиевого граната (ИАГ), который может быть допирован редкоземельными элементами, выбранными из Nd, Yb, Sc, Pr, Eu, Er (Патент США на изобретение US 7022262, кл. МПК С04В 35/44, опубл. 04.04.2006). Способ получения порошка включает: смешивание по меньшей мере одной соли алюминия с по меньшей мере одной солью иттрия; растворение указанной соли алюминия и соли иттрия в воде с образованием водной смеси, причем алюминий и иттрий присутствуют при мольном соотношении 3:5; добавление по меньшей мере одного восстановителя и по меньшей мере одного вспомогательного окислителя в указанную смесь; нагревание указанной смеси так, что указанная смесь подвергается горению и образуется порошок; а также прокаливание указанного порошка при температурах от 800°C до 1000°C в течение времени, достаточного для образования однофазного кубического иттрий-алюминиевого граната. Способ дополнительно включает объединение, по меньшей мере, одной соли редкоземельного элемента с указанной солью алюминия и указанной солью иттрия, причем редкоземельный элемент выбирают из Nd, Yb, Sc, Pr, Eu и Er и их комбинаций.The prior art method for producing polycrystalline yttrium aluminum garnet (YAG), which can be doped with rare earth elements selected from Nd, Yb, Sc, Pr, Eu, Er (US patent for invention US 7022262, CL IPC 35/44 , published on 04.04.2006). A method for producing a powder includes: mixing at least one aluminum salt with at least one yttrium salt; dissolving said aluminum salt and yttrium salt in water to form an aqueous mixture, wherein aluminum and yttrium are present in a 3: 5 molar ratio; adding at least one reducing agent and at least one auxiliary oxidizing agent to said mixture; heating said mixture so that said mixture is burned and a powder is formed; and calcining said powder at temperatures from 800 ° C to 1000 ° C for a time sufficient to form a single-phase cubic yttrium-aluminum garnet. The method further comprises combining at least one rare earth element salt with said aluminum salt and said yttrium salt, wherein the rare earth element is selected from Nd, Yb, Sc, Pr, Eu and Er, and combinations thereof.

Однако данный способ получения известных материалов является достаточно сложным.However, this method of obtaining known materials is quite complicated.

Известны прозрачные керамические материалы на основе оксида иттрия и иттрий-алюминиевого граната, обладающие высокими показателями светопропускания в видимой области спектра. Материалы можно получить различными способами, например, золь-гель технологией, термическим разложением солей, твердофазным синтезом, гидротермальным синтезом, вымораживанием, соосаждением, горением (Д.О. Лемешев и др., Перспектива создания новых оптически прозрачных материалов на основе оксида иттрия и иттрий-алюминиевого граната, журн. Стекло и керамика, 2008, №4, стр. 25-27).Transparent ceramic materials based on yttrium oxide and yttrium-aluminum garnet are known, having high transmittance in the visible region of the spectrum. Materials can be obtained in various ways, for example, by sol-gel technology, thermal decomposition of salts, solid-phase synthesis, hydrothermal synthesis, freezing, coprecipitation, combustion (D.O. Lemeshev et al., The prospect of creating new optically transparent materials based on yttrium and yttrium oxide - aluminum garnet, magazine, Glass and Ceramics, 2008, No. 4, pp. 25-27).

Однако в данном техническом решении не установлен химический состав компонентов материала, который обеспечивает структуру целевого продукта, характеризующуюся высокими эксплуатационными свойствами и стабильными оптическими характеристиками.However, in this technical solution, the chemical composition of the components of the material is not established, which provides the structure of the target product, characterized by high performance properties and stable optical characteristics.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является материал, который содержит матрицу, выполненную в виде твердого раствора оксида скандия в оксиде иттрия состава Y1-xScxO1,5, где х=0,25-0,35, и наполнитель, выполненный в виде твердого раствора оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате состава Y3-3zAl5-5zSc8zO12, где z=0,20-0,45, при этом материал содержит матрицу в количестве 80-90 масс. % и наполнитель в количестве 10-20 масс. %. Описан способ изготовления материала, включающий смешивание предварительно полученной матрицы с предварительно полученным наполнителем, формование смеси и термообработку (Патент РФ на изобретение RU 2473514, кл. МПК С04В 35/505, С04В 35/622, С30В 29/28, опубл. 27.01.2013).The closest in technical essence and the achieved result is a material that contains a matrix made in the form of a solid solution of scandium oxide in yttrium oxide of the composition Y 1-x Sc x O 1.5 , where x = 0.25-0.35, and filler made in the form of a solid solution of scandium oxide in yttrium-aluminum garnet composition Y 3-3z Al 5-5z Sc8 z O 12 , where z = 0.20-0.45, while the material contains a matrix in the amount of 80-90 mass. % and filler in an amount of 10-20 mass. % A method of manufacturing a material is described, including mixing a preformed matrix with a preformed filler, molding the mixture and heat treatment (RF Patent for the invention RU 2473514, class IPC С04В 35/505, С04В 35/622, С30В 29/28, publ. 01/27/2013 )

Однако одним из недостатков данного способа является использование в качестве одного из компонентов ИАГ оксида скандия, который способен замещать ионы иттрия и алюминия и способствовать получению однофазного граната, но использование оксида скандия не всегда приводит к получению однофазного граната из-за сложности встраивания скандия в виде оксида в основную матрицу граната.However, one of the disadvantages of this method is the use of scandium oxide as one of the YAG components, which is able to replace yttrium and aluminum ions and contribute to the production of single-phase garnet, but the use of scandium oxide does not always lead to the production of single-phase garnet due to the difficulty of incorporating scandium in the form of oxide into the main matrix of pomegranate.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения стабильного однофазного иттрий-алюминиевого граната, допированного редкоземельными элементами, такими как эрбий или иттербий, имеющих стабильные оптические характеристики.An object of the present invention is to provide a method for producing a stable single-phase yttrium-aluminum garnet doped with rare earth elements, such as erbium or ytterbium, having stable optical characteristics.

Технический результат - получение стабильного однофазного материала, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками: светопропусканием, термостойкостью, теплопроводностью, диэлектрической проницаемостью и прочностью.EFFECT: obtaining a stable single-phase material having high operational characteristics: light transmission, heat resistance, heat conductivity, dielectric constant and strength.

Стабильность получения однофазного граната связана с применением двух основных добавок: скандия в виде хлорида скандия на этапе соосаждения в количестве 20 мол. % сверх стехиометрического граната и использование предварительно измельченного гидроксида алюминия с размером частиц менее 1 мкм в качестве компенсирующей добавки. Количество вводимого гидроксида алюминия рассчитывается по данным рентгенофазового анализа и данным ИСП-МС спектрометрии (масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой) и может составлять от 5 до 10 масс. %.The stability of obtaining single-phase garnet is associated with the use of two main additives: scandium in the form of scandium chloride at the stage of coprecipitation in an amount of 20 mol. % over stoichiometric garnet and the use of pre-ground aluminum hydroxide with a particle size of less than 1 μm as a compensating additive. The amount of introduced aluminum hydroxide is calculated according to x-ray phase analysis and ICP-MS spectrometry (mass spectrometry with inductively coupled plasma) and may be from 5 to 10 mass. %

Использование дополнительной компенсирующей добавки - гидроксида алюминия с размером частиц менее 1 мкм связано с тем, что при использовании метода обратного гетерофазного соосаждения необходима компенсация ионов алюминия, что связано с особенностями данного способа получения однофазного поликристаллического иттрий-алюминиевого граната.The use of an additional compensating additive - aluminum hydroxide with a particle size of less than 1 μm is due to the fact that when using the method of reverse heterophasic coprecipitation, compensation of aluminum ions is necessary, which is associated with the features of this method of producing single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet.

Задача получения однофазного поликристаллического керамического материала на основе граната, активированного редкоземельными элементами (РЗЭ), решается описываемым прозрачным керамическим материалом, который содержит основную матрицу, полученную в виде смеси оксигидратов иттрия, алюминия, скандия и ряда редкоземельных активаторов, таких как: эрбий, иттербий, и компенсирующей добавки, вводимой в виде субмикронного гидроксида алюминия с размером частиц менее 1 мкм на стадии измельчения в стехиометрическом соотношении, для получения состава с общей формулой Y1,39-2,88Er0,03-1,5Sc0,29-0,56Al4,55-4,8O12.The problem of obtaining a single-phase polycrystalline ceramic material based on garnet activated by rare-earth elements (REE) is solved by the described transparent ceramic material, which contains the main matrix obtained in the form of a mixture of yttrium, aluminum, scandium oxyhydrates and a number of rare-earth activators, such as erbium, ytterbium, and compensating additives, introduced in the form of submicron aluminum hydroxide with a particle size of less than 1 μm at the grinding stage in a stoichiometric ratio, to obtain stav with the general formula Y 1.39-2.88 Er 0.03-1.5 Sc 0.29-0.56 Al 4.55-4.8 O 12 .

Формула в качестве примера приведена для активатора эрбия.An example formula is provided for an erbium activator.

Поставленная задача решается способом получения заявленного материала, который включает: растворение исходных прекурсоров (хлоридов иттрия, алюминия, эрбия, иттербия), взятых в стехиометрическом соотношении, и хлорида скандия в количестве 20 мол. % сверх стехиометрии граната; совместное соосаждение; фильтрацию; вакуумную сушку; измельчение в планетарной мельнице; просев; прокаливание при температуре 1200-1250°С в течение 1-3 часов; добавление расчетного количества субмикронного гидроксида алюминия в зависимости от содержания примесных фаз перовскита (YAP) и мартенсита (YAM), (с размером частиц менее 1 мкм) в смесь оксидов; измельчение в планетарной мельнице в течение 1-2 часов; формование компакта с использованием временного связующего; последующую термообработку для удаления связующего; вакуумное спекание керамических компактов при температуре 1800-÷1900°С; отжигание компактов на воздухе при температуре 1300-1400°С; шлифовку и полировку.The problem is solved by the method of obtaining the claimed material, which includes: dissolving the initial precursors (yttrium, aluminum, erbium, ytterbium chlorides) taken in a stoichiometric ratio, and scandium chloride in an amount of 20 mol. % over stoichiometry of pomegranate; co-precipitation; filtering vacuum drying; grinding in a planetary mill; sifting; calcination at a temperature of 1200-1250 ° C for 1-3 hours; adding a calculated amount of submicron aluminum hydroxide depending on the content of impurity phases of perovskite (YAP) and martensite (YAM), (with a particle size of less than 1 μm) in the oxide mixture; grinding in a planetary mill for 1-2 hours; compact formation using a temporary binder; subsequent heat treatment to remove the binder; vacuum sintering of ceramic compacts at a temperature of 1800--1900 ° C; compact annealing in air at a temperature of 1300-1400 ° С; grinding and polishing.

Предпочтительно гидроксид алюминия с размером частиц менее 1 микрона получать путем измельчения в спиртовом растворе в планетарной мельнице в течение 1-2 часов.Preferably, aluminum hydroxide with a particle size of less than 1 micron is obtained by grinding in an alcohol solution in a planetary mill for 1-2 hours.

Предложенная методика позволяет получать однофазный иттрий-алюминиевый гранат с необходимыми эксплуатационными характеристиками.The proposed method allows to obtain single-phase yttrium-aluminum garnet with the required performance characteristics.

При снижении содержания скандия в иттрий-алюминиевом гранате ниже заявленного, и при превышении содержания скандия, при термообработке происходит образование двух фаз: фазы с кубической решеткой иттрий-алюминиевого граната и фазы с гексагональной решеткой (YAlO3), что не позволяет обеспечить стабильное получение материала с высоким светопропусканием.When the scandium content in yttrium-aluminum garnet is lower than stated, and when the scandium content is exceeded, two phases are formed during heat treatment: phases with a cubic lattice of yttrium-aluminum garnet and phases with a hexagonal lattice (YAlO 3 ), which does not allow for stable production of the material with high light transmission.

Заявленные молярные составы вводимых компонентов (скандия и алюминия) обеспечивают получение материала с высокими эксплуатационными характеристиками, такими как термостойкость, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость, прочность.The claimed molar compositions of the introduced components (scandium and aluminum) provide a material with high performance characteristics, such as heat resistance, thermal conductivity, dielectric constant, strength.

Пример 1Example 1

Для синтеза иттрий-алюминиевого граната, легированного эрбием, в качестве осаждаемого компонента используют насыщенный раствор солей хлорида иттрия с чистотой не менее 99,9%, хлорида скандия с чистотой не менее 99,9%, хлорида алюминия с чистотой не менее 99,95%, хлорида эрбия с чистотой не менее 99,99%. В качестве осаждающего вещества используется охлажденный водный раствор аммиака (25% концентрации, квалификации ОСЧ). Осаждение проводят методом распыления насыщенного раствора солей через форсунку стеклянного реактора потоком сжатого воздуха. Осажденную смесь оксигидратов отфильтровывают и высушивают. После прокаливания пробы образца оксигидратов определяют структурную формулу матрицы и рассчитывают фактический дефицит алюминия в соединении.For the synthesis of yttrium-aluminum garnet doped with erbium, a saturated solution of yttrium chloride salts with a purity of at least 99.9%, scandium chloride with a purity of at least 99.9%, and aluminum chloride with a purity of at least 99.95% are used as the precipitated component. Erbium chloride with a purity of not less than 99.99%. As a precipitating substance, a cooled aqueous solution of ammonia (25% concentration, qualification of special grade compounds) is used. Precipitation is carried out by spraying a saturated salt solution through a nozzle of a glass reactor with a stream of compressed air. The precipitated oxyhydrate mixture was filtered and dried. After calcining the sample, the oxyhydrate sample determines the structural formula of the matrix and calculates the actual aluminum deficiency in the compound.

К полученной смеси оксигидратов иттрия, алюминия, скандия, эрбия добавляют компенсирующую добавку в виде гидроксида алюминия, предварительно полученную методом обратного гетерофазного осаждения. Гидроксид алюминия получают путем распыления насыщенного раствора хлорида алюминия (чистота хлорида алюминия не менее 99,9%) в охлажденный водный раствор аммиака, полученную суспензию фильтруют, промывают до рН=7, сушат при 70°С в течении 2 часов, затем измельчают в планетарной мельнице в течение 1-го часа в спиртовой среде, после чего суспензию снова сушат, порошок просеивают через сито 100 мкм.To the resulting mixture of yttrium, aluminum, scandium, erbium oxyhydrates, a compensating additive in the form of aluminum hydroxide, previously obtained by the method of reverse heterophase deposition, is added. Aluminum hydroxide is obtained by spraying a saturated solution of aluminum chloride (purity of aluminum chloride at least 99.9%) in a cooled aqueous ammonia solution, the resulting suspension is filtered, washed to pH = 7, dried at 70 ° C for 2 hours, then crushed in planetary the mill for 1 hour in an alcohol medium, after which the suspension is again dried, the powder is sieved through a 100 micron sieve.

Полученные порошки оксигидратов и компенсирующую добавку смешивают в стехиометрическом соотношении, исходя из данных рентгенофазового, ИСП-МС анализов, и измельчают смесь в спиртовой среде с подобранным количественным соотношением жидкой и твердой фаз в течение 1 часа в планетарной мельнице с использованием размольных стаканов и мелющих тел из диоксида циркония. Термообработку полученного прекурсора осуществляют в электропечи при температуре 1200°С.The obtained oxyhydrate powders and a compensating additive are mixed in a stoichiometric ratio, based on the data of X-ray phase, ICP-MS analyzes, and the mixture is ground in an alcohol medium with a selected quantitative ratio of liquid and solid phases for 1 hour in a planetary mill using grinding jars and grinding media from zirconium dioxide. The heat treatment of the obtained precursor is carried out in an electric furnace at a temperature of 1200 ° C.

Из полученной смеси керамического порошка методом полусухого прессования при давлении прессования 100 МПа формуют компакты. В качестве временной технологической связки используют 5% водный раствор поливинилового спирта (или раствор парафина в четыреххлористом углероде с концентрацией 6 масс. %). Временную технологическую связку удаляют при нагревании компактов в электропечи при температуре 1400°С в течение 1,5 часов.Compacts are formed from the mixture of ceramic powder obtained by semi-dry pressing at a compression pressure of 100 MPa. A 5% aqueous solution of polyvinyl alcohol (or a solution of paraffin in carbon tetrachloride with a concentration of 6 wt.%) Is used as a temporary technological bundle. Temporary technological bundle is removed by heating compacts in an electric furnace at a temperature of 1400 ° C for 1.5 hours.

Компакты спекают в вакуумной печи с вольфрамовыми нагревателями при температуре 1800-1850°С в течение 10 часов. Давление остаточных газов 5⋅10-5 - 5⋅10-7 мм рт. ст. Полученные керамические заготовки после вакуумного спекания отжигают на воздухе в атмосферной печи при температуре 1400°С в течение 10 часов, затем шлифуют и полируют.The compacts are sintered in a vacuum furnace with tungsten heaters at a temperature of 1800-1850 ° C for 10 hours. Residual gas pressure 5 газов10 -5 - 5⋅10 -7 mm Hg. Art. After vacuum sintering, the obtained ceramic preforms are annealed in air in an atmospheric furnace at a temperature of 1400 ° C for 10 hours, then they are ground and polished.

Полученный материал имеет светопропускание 65-70%, плотность 99,85% от теоретической (таблица 1, образец 1).The resulting material has a light transmission of 65-70%, a density of 99.85% of theoretical (table 1, sample 1).

Пример 2Example 2

Для синтеза иттрий-алюминиевого граната, легированного иттербием, в качестве осаждаемого компонента используют горячий раствор следующих солей: хлорид иттрия с чистотой не менее 99,9%, хлорид скандия с чистотой не менее 99,9%, хлорид алюминия с чистотой не менее 99,95%, хлорид иттербия с чистотой не менее 99,99%. В качестве осаждающего вещества используется охлажденный водный раствор аммиака 25% концентрации, квалификации ОСЧ. Осаждение проводят методом распыления насыщенного раствора солей через форсунку стеклянного реактора потоком сжатого воздуха.For the synthesis of yttrium-aluminum garnet doped with ytterbium, a hot solution of the following salts is used as the precipitated component: yttrium chloride with a purity of at least 99.9%, scandium chloride with a purity of at least 99.9%, aluminum chloride with a purity of at least 99, 95%, ytterbium chloride with a purity of at least 99.99%. As a precipitating substance, a cooled aqueous solution of ammonia of 25% concentration, qualification of special grade compounds is used. Precipitation is carried out by spraying a saturated salt solution through a nozzle of a glass reactor with a stream of compressed air.

Осажденную смесь оксигидратов отфильтровывают, высушивают, измельчают в планетарной мельнице в спиртовой среде в течение 3-4 часов с подобранным количественным соотношением жидкой и твердой фаз, используя стаканы и мелющие тела из диоксида циркония, стабилизированного иттрием. Прокаливание осуществляют в электропечи при температуре 1200-1250°С.The precipitated mixture of oxyhydrates is filtered off, dried, ground in a planetary mill in an alcohol medium for 3-4 hours with a selected quantitative ratio of liquid and solid phases, using glasses and grinding bodies made of yttrium stabilized zirconia. Calcination is carried out in an electric furnace at a temperature of 1200-1250 ° C.

Второй компонент (компенсирующая добавка) в виде гидроксида алюминия получают методом обратного гетерофазного осаждения. Используется горячий раствор хлорида алюминия с чистотой не менее 99,9%. В качестве осаждающего вещества используют охлажденный водный раствор аммиака 25% концентрации, квалификации ОСЧ. Полученный осадок оксигидрата алюминия фильтруют, сушат, измельчают в спиртовой среде в планетарной мельнице в течение 4-х часов, суспензию сушат, порошок просеивают через сито 100 мкм.The second component (compensating additive) in the form of aluminum hydroxide is obtained by the method of reverse heterophase deposition. A hot solution of aluminum chloride with a purity of at least 99.9% is used. As a precipitating substance, a cooled aqueous solution of ammonia of 25% concentration, qualification, is used. The obtained precipitate of aluminum oxyhydrate is filtered, dried, ground in an alcohol medium in a planetary mill for 4 hours, the suspension is dried, the powder is sieved through a 100 μm sieve.

Полученные порошки смешивают в определенном стехиометрическом соотношении, исходя из данных рентгенофазового анализа. Из полученной смеси формуют компакты методом полусухого прессования при давлении прессования 100 МПа. В качестве временной технологической связки используют 5% раствор поливинилового спирта (или раствор парафина в четыреххлористом углероде с концентрацией 6 масс. %). Временную технологическую связку удаляют при нагревании компактов в электропечи при температуре 1400°С в течение 1,5 часов.The obtained powders are mixed in a certain stoichiometric ratio, based on the data of x-ray phase analysis. Compacts are formed from the resulting mixture by the method of semi-dry pressing at a pressing pressure of 100 MPa. A 5% solution of polyvinyl alcohol (or a solution of paraffin in carbon tetrachloride with a concentration of 6 wt.%) Is used as a temporary technological bundle. Temporary technological bundle is removed by heating compacts in an electric furnace at a temperature of 1400 ° C for 1.5 hours.

Компакты спекают в вакуумной печи с вольфрамовыми нагревателями при температуре 1800-1850°С в течение 10 часов. Давление остаточных газов 5⋅10-5 - 5⋅10-7 мм рт. ст. Полученные керамические заготовки после вакуумного спекания отжигают на воздухе в атмосферной печи при температуре 1400°С в течение 10 часов, затем шлифуют и полируют.The compacts are sintered in a vacuum furnace with tungsten heaters at a temperature of 1800-1850 ° C for 10 hours. Residual gas pressure 5 газов10 -5 - 5⋅10 -7 mm Hg. Art. After vacuum sintering, the obtained ceramic preforms are annealed in air in an atmospheric furnace at a temperature of 1400 ° C for 10 hours, then they are ground and polished.

Полученный материал имеет светопропускание 65 - 70%, плотность 99,85% от теоретической (таблица 1, образец 4).The resulting material has a light transmission of 65 - 70%, a density of 99.85% of theoretical (table 1, sample 4).

Пример 3Example 3

Операции получения двух компонентов производятся, как в примере 4.The operations of obtaining two components are performed, as in example 4.

Полученные порошки смешивают в определенном стехиометрическом соотношении, исходя из данных рентгенофазового анализа. Из полученной смеси формуют компакты методом полусухого прессования при давлении прессования 100 МПа. В качестве временной технологической связки используют парафин в количестве 4-6 масс. %. Временную технологическую связку удаляют при нагревании компактов в электропечи при температуре 1400°С в течение 1,5 часов.The obtained powders are mixed in a certain stoichiometric ratio, based on the data of x-ray phase analysis. Compacts are formed from the resulting mixture by the method of semi-dry pressing at a pressing pressure of 100 MPa. As a temporary technological bundles use paraffin in the amount of 4-6 mass. % Temporary technological bundle is removed by heating compacts in an electric furnace at a temperature of 1400 ° C for 1.5 hours.

Компакты спекают в вакуумной печи с вольфрамовыми нагревателями при температуре 1800-1850°С в течение 20 часов. Давление остаточных газов 5⋅10-5 - 5⋅10-7 мм рт. ст. Полученные керамические заготовки после вакуумного спекания отжигают на воздухе в атмосферной печи при температуре 1400°С в течение 10 часов, затем шлифуют и полируют.The compacts are sintered in a vacuum furnace with tungsten heaters at a temperature of 1800-1850 ° C for 20 hours. Residual gas pressure 5 газов10 -5 - 5⋅10 -7 mm Hg. Art. After vacuum sintering, the obtained ceramic preforms are annealed in air in an atmospheric furnace at a temperature of 1400 ° C for 10 hours, then they are ground and polished.

Полученный материал имеет светопропускание 70-75%, плотность 99,85% от теоретической (таблица 1, образец 5).The resulting material has a light transmission of 70-75%, a density of 99.85% of theoretical (table 1, sample 5).

Полученные образцы керамического материала, изготовленные в соответствии с заявленным способом, имеют стабильные эксплуатационные характеристики:The obtained samples of ceramic material made in accordance with the claimed method have stable performance characteristics:

- диэлектрическая проницаемость при комнатной температуре и частоте 106 Гц - 11,8, тангенс угла диэлектрических потерь - 1⋅10-4;- dielectric constant at room temperature and a frequency of 10 6 Hz - 11.8, the tangent of the dielectric loss angle - 1⋅10 -4 ;

- термостойкость при теплосмене 1200°С - воздух - 28-30 циклов, при теплосмене 1000°С - вода - 18-20 циклов;- heat resistance during heat exchange 1200 ° С - air - 28-30 cycles, during heat exchange 1000 ° С - water - 18-20 cycles;

- теплопроводность 9 Вт/м⋅К;- thermal conductivity 9 W / m⋅K;

- предел прочности керамики при изгибе 320 МПа.- tensile strength of ceramics with a bend of 320 MPa.

Предложенный способ обеспечивает получение прозрачного керамического материала при температуре термообработки 1800-1900°С. При этом материал обладает светопропусканием в диапазоне от 400 нм до 760 нм до 75%.The proposed method provides a transparent ceramic material at a heat treatment temperature of 1800-1900 ° C. Moreover, the material has a light transmission in the range from 400 nm to 760 nm to 75%.

Заявленный прозрачный керамический материал может быть использован в качестве подложек для микросхем, оболочек натриевых ламп высокого давления, для изоляторов в термоэмиссионных преобразователях и в оптоэлектронике, а при введении в него ионов-активаторов (Nd3+, Eu3+, Cr3+ и др.) материал эффективен в качестве рабочей среды твердотельного лазера.The declared transparent ceramic material can be used as substrates for microcircuits, shells of high-pressure sodium lamps, for insulators in thermionic converters and in optoelectronics, and when ion activators are introduced into it (Nd 3+ , Eu 3+ , Cr 3+ , etc. .) the material is effective as a working medium of a solid-state laser.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного материала и способа его получения не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».A comparative analysis of the claimed invention showed that the set of essential features of the claimed material and the method of its production is not known from the prior art and therefore corresponds to the patentability condition “Novelty”.

В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».In the prior art there were no signs that coincided with the distinguishing features of the claimed invention and affecting the achievement of the claimed technical result, therefore, the claimed invention meets the patentability condition "Inventive step".

Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного материала и способа его получения, который может быть использован в качестве подложек для микросхем, оболочек натриевых ламп высокого давления, для изоляторов в термоэмиссионных преобразователях и в оптоэлектронике, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».The above information confirms the possibility of using the claimed material and the method for its preparation, which can be used as substrates for microcircuits, shells of high-pressure sodium lamps, for insulators in thermionic converters and in optoelectronics, and therefore meets the patentability condition “Industrial Applicability”.

Figure 00000001
Figure 00000001

Claims (2)

1. Однофазный поликристаллический иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), активированный эрбием или иттербием, с формулой соединения Y1,39-2,88ME0,03÷1,5Sc0,29÷0,56A14,55-4,8O12, где ME это Еr или Yb.1. Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet (YAG) activated by erbium or ytterbium with the compound formula Y 1.39-2.88 ME 0.03 ÷ 1.5 Sc 0.29 ÷ 0.56 A1 4.55-4 , 8 O 12 , where ME is Er or Yb. 2. Способ получения однофазного поликристаллического иттрий-алюминиевого граната по п. 1, активированного эрбием или иттербием, который включает: растворение исходных прекурсоров - хлоридов иттрия, алюминия, эрбия, иттербия, взятых в стехиометрическом соотношении, и хлорида скандия в количестве 20 мол. % сверх стехиометрии граната; совместное осаждение; фильтрацию; вакуумную сушку; измельчение в планетарной мельнице; просев; прокаливание при температуре 1200-1250°С в течение 1-3 часов; добавление расчетного количества субмикронного гидроксида алюминия с размером частиц менее 1 мкм в зависимости от содержания примесных фаз перовскита (YAP) и мартенсита (YAM) в смесь оксидов; измельчение в планетарной мельнице в течение 1-2 часов; формование компакта с использованием временного связующего; последующую термообработку для удаления связующего; вакуумное спекание керамических компактов при температуре 1800-1900°С; отжигание компактов на воздухе при температуре 1300-1400°С; шлифовку и полировку, при этом предпочтительно гидроксид алюминия с размером частиц менее 1 микрона получать путем измельчения в спиртовом растворе в планетарной мельнице в течение 1-2 часов.2. A method of producing a single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet according to claim 1, activated by erbium or ytterbium, which includes: dissolving the initial precursors - yttrium, aluminum, erbium, ytterbium chlorides taken in a stoichiometric ratio, and scandium chloride in an amount of 20 mol. % over stoichiometry of pomegranate; co-precipitation; filtering vacuum drying; grinding in a planetary mill; sifting; calcination at a temperature of 1200-1250 ° C for 1-3 hours; adding a calculated amount of submicron aluminum hydroxide with a particle size of less than 1 μm depending on the content of perovskite (YAP) and martensite (YAM) impurity phases in the oxide mixture; grinding in a planetary mill for 1-2 hours; compact formation using a temporary binder; subsequent heat treatment to remove the binder; vacuum sintering of ceramic compacts at a temperature of 1800-1900 ° C; compact annealing in air at a temperature of 1300-1400 ° С; grinding and polishing, while preferably aluminum hydroxide with a particle size of less than 1 micron is obtained by grinding in an alcohol solution in a planetary mill for 1-2 hours.
RU2018128755A 2018-08-07 2018-08-07 Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof RU2705848C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018128755A RU2705848C1 (en) 2018-08-07 2018-08-07 Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018128755A RU2705848C1 (en) 2018-08-07 2018-08-07 Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2705848C1 true RU2705848C1 (en) 2019-11-12

Family

ID=68579697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018128755A RU2705848C1 (en) 2018-08-07 2018-08-07 Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2705848C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114746377A (en) * 2019-11-18 2022-07-12 贺利氏科纳米北美有限责任公司 Plasma resistant yttrium aluminum oxide objects
CN115436133A (en) * 2022-09-22 2022-12-06 国标(北京)检验认证有限公司 Short-process microscopic sample preparation method for high-purity rare earth metal erbium

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060100088A1 (en) * 2004-11-09 2006-05-11 General Electric Company Transparent multi-cation ceramic and method of making
US20090081100A1 (en) * 2005-03-31 2009-03-26 Fujifilm Corporation Translucent material and manufacturing method of the same
RU2009115895A (en) * 2009-04-28 2010-11-10 Общество с ограниченной ответственностью Центр Содействий Экспертизы и Сертификации "Бурлак" (RU) TRANSPARENT CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING IT
CN102060539A (en) * 2009-11-13 2011-05-18 中国科学院上海硅酸盐研究所 Method for preparing yttrium aluminum garnet based transparent ceramic by slip casting
RU2473514C2 (en) * 2011-02-22 2013-01-27 Дмитрий Олегович Лемешев Transparent ceramic material and method of obtaining it

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060100088A1 (en) * 2004-11-09 2006-05-11 General Electric Company Transparent multi-cation ceramic and method of making
US20090081100A1 (en) * 2005-03-31 2009-03-26 Fujifilm Corporation Translucent material and manufacturing method of the same
RU2009115895A (en) * 2009-04-28 2010-11-10 Общество с ограниченной ответственностью Центр Содействий Экспертизы и Сертификации "Бурлак" (RU) TRANSPARENT CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING IT
CN102060539A (en) * 2009-11-13 2011-05-18 中国科学院上海硅酸盐研究所 Method for preparing yttrium aluminum garnet based transparent ceramic by slip casting
RU2473514C2 (en) * 2011-02-22 2013-01-27 Дмитрий Олегович Лемешев Transparent ceramic material and method of obtaining it

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114746377A (en) * 2019-11-18 2022-07-12 贺利氏科纳米北美有限责任公司 Plasma resistant yttrium aluminum oxide objects
CN115436133A (en) * 2022-09-22 2022-12-06 国标(北京)检验认证有限公司 Short-process microscopic sample preparation method for high-purity rare earth metal erbium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2049450A1 (en) Yag-based ceramic garnet material comprising at least one multi-site element
Kong et al. Transparent ceramic materials
CN103787658B (en) Lead-free piezoelectric potassium sodium niobate optoelectronic multifunctional material and preparation method thereof
CN110526704B (en) Preparation of sinterable composite oxide powder and production of transparent ceramics
Misevicius et al. Sol–gel synthesis and investigation of un-doped and Ce-doped strontium aluminates
Meidan et al. Enhanced photoluminescence property of sulfate ions modified YAG: Ce3+ phosphor by co-precipitation method
US7022262B2 (en) Yttrium aluminum garnet powders and processing
KR102270157B1 (en) Aluminum oxynitride ceramic heater and method for preparing the same
Peng et al. Photoluminescence properties of YAG: Ce3+, Pr3+ nano-sized phosphors synthesized by a modified co-precipitation method
JP5000934B2 (en) Translucent rare earth gallium garnet sintered body, manufacturing method thereof and optical device
US20050281302A1 (en) YAG lasing systems and methods
Leleckaite et al. Sol‐gel preparation and characterization of codoped yttrium aluminium garnet powders
RU2705848C1 (en) Single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium, and a method for production thereof
RU2473514C2 (en) Transparent ceramic material and method of obtaining it
JP2002029742A (en) Rare earth oxide powder and method for manufacturing the same
EP2397453A1 (en) Method for preparation of synthetic garnets based in luag or yag
JP6121282B2 (en) Transparent polycrystalline sintered body of lutetium aluminum garnet and method for producing the same
Hreniak et al. High-pressure induced structural decomposition of RE-doped YAG nanoceramics
Potdevin et al. Influence of a chelating agent on optical and morphological properties of YAG: Tb 3+ phosphors prepared by the sol-gel process
KR20040004553A (en) Crystalline Compositions of Doped Aluminum Phosphate
Wang et al. Oxidation Behavior of Lanthanide Aluminum Oxynitrides with Magnetoplumbite‐Like Structure
KR102249369B1 (en) Nanocomposite for Infrared Laser Ceramic materials with High Power and Manufacturing method of the Same
CN114149259A (en) Laser ceramic material for inhibiting ion conversion
Naga et al. Fabrication, microstructure and properties of hot-pressed Nd: YAG ceramics
JP2001097768A (en) Yag-based ceramic raw material and its production

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210728

Effective date: 20210728