釔鋁石榴石（YAG）具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)、熱性能以及高溫穩(wěn)定性，稀土摻雜YAG透明材料是目前性能最好、用途最廣、產(chǎn)量最大的固體激光器用增益介質(zhì)材料，對(duì)我國(guó)國(guó)防科技具有重要戰(zhàn)略意義，并在輻射探測(cè)閃爍體、LED等諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用。目前，YAG透明材料以單晶和透明陶瓷為主，前者主要采用定向凝固技術(shù)來(lái)制備，存在晶體生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、成本昂貴、尺寸和摻雜濃度難以提高等問(wèn)題。YAG透明陶瓷主要采用粉末燒結(jié)制備方法，要達(dá)到高透明度，需要充分排除陶瓷中的氣孔和雜質(zhì)相、完全致密且晶界極薄，對(duì)原料、設(shè)備、成型和燒結(jié)工藝有極其苛刻的要求，比如需要高純、高分散性的納米粉體原料、熱等靜壓和真空燒結(jié)等，晶粒在長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中容易長(zhǎng)大。
中科院過(guò)程工程研究所李建強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)提出利用凝固-非晶晶化方法制備YAG透明陶瓷的創(chuàng)新思想，并開(kāi)展了系統(tǒng)研究。首先，針對(duì)YAG成分的熔體非晶形成能力差的問(wèn)題，采用無(wú)容器凝固技術(shù)抑制熔體深過(guò)冷狀態(tài)下的形核，獲得了冷卻速度對(duì)熔體凝固產(chǎn)物物相與結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，進(jìn)而通過(guò)調(diào)整Al2O3/Y2O3配比強(qiáng)化了Al2O3-Y2O3熔體的非晶形成能力，成功制備出完全非晶態(tài)、成分分布均勻的Al2O3-26mol%Y2O3塊狀非晶。進(jìn)一步，與法國(guó)國(guó)家科學(xué)中心（CNRS）Mathieu Allix研究員合作研究了非晶基質(zhì)無(wú)壓條件下晶化行為，獲得了晶化溫度、時(shí)間對(duì)產(chǎn)物物相與微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)了通過(guò)簡(jiǎn)單熱處理（～1100℃）一步得到完全晶化的YAG基透明陶瓷。獲得的YAG基透明陶瓷完全由納米晶組成，YAG相質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)77%，其余為Al2O3相，化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)分布高度均勻。發(fā)現(xiàn)該納米復(fù)相結(jié)構(gòu)中YAG晶粒周圍的Al2O3少數(shù)相具有很好的緩解晶化收縮應(yīng)力和抑制YAG晶粒長(zhǎng)大的作用，YAG晶粒加熱至1400℃晶粒仍能保持納米級(jí)。YAG基透明陶瓷具有極高的透過(guò)率，在近紅外和中紅外波段可與YAG單晶媲美，硬度比YAG單晶和透明陶瓷高10%，Ce摻雜后熒光性能優(yōu)異，量子效率高達(dá)87.5%。優(yōu)異的光學(xué)和力學(xué)綜合性能使得該新型納米晶YAG基透明陶瓷在大功率LED、LD等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。
這種透明陶瓷的新制備方法能很好地結(jié)合凝固和非晶晶化方法的優(yōu)勢(shì)。一方面，凝固制備塊狀非晶基質(zhì)不僅快速、可成型復(fù)雜形狀和多種尺寸，而且使用普通的原料粉末即可，避免傳統(tǒng)粉末燒結(jié)法對(duì)高質(zhì)量粉末的依賴。另一方面，非晶晶化過(guò)程具有條件溫和、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)物均勻、摻雜濃度高、晶粒尺寸容易控制等特點(diǎn)。
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