立方结构的 Y2O3材料无双折射效应, 有利于透明陶瓷的制备, Y2O3 陶瓷的光学透明性范围较宽, 声子能量较低,易实现稀土离子的掺杂。 同时, Y2O3 材料具有优异的物理化学性能, 有利于材料的实际应用。 经研究, Y2O3 透明陶瓷在高温窗口、 红外头罩、 闪烁、 激光等众多领域有着巨大的商业应用价值。 重点介绍 Y2O3透明陶瓷和稀土掺杂的 Y2O3透明陶瓷的制备工艺进展, 对 Y2O3材料在高温窗口、 闪烁、 激光应用等领域前景做出评估。

关键词: Y2O3 ; 透明陶瓷; 高温窗口; 闪烁陶瓷; 激光

常温条件下, Y2O3 为稳定的 c 型立方结构的稀土氧化物, 其空间群为 Ia3(T 7 h ), 晶格常数为 1郾 060 nm, 一个原胞中包含 32 个 Y 3+和 48 个 O 2- 。 其中, Y 3+在基体中有两种格位: 有 24 个 Y 3+位于高对称性的 S6格位, 8 个 Y 3+位于低对称性的 C2 格位。所有阳离子的配位数均为 6。

Y2O3 的作为基体的优势和特点主要包括: 光学透明性范围较宽(0. 23 ~ 8. 0 m); 较宽的禁带宽度; 低辐射跃迁的率[1] ; 热导率高, 约为 13郾 6 W/ (m•K); Y2O3 透明陶瓷有着诸多的性能优势, 在高温窗口、 红外探测、 发光介质等邻域都有应用价值[2] 。 本文总结了 Y2O3 透明陶瓷的研究和发展, 对 Y2O3 透明陶瓷在不同领域的研究与应用做出总结。 

1 、Y2O3 的陶瓷的发展

 1966 年, Brissette 等[3]首次采用热机械形变的方法制备出 Y2O3 透明陶瓷; 1967 年, Lefever 等[4] 采用真空热压烧结的方式制备 Y2O3 透明陶瓷, LiF 作为烧结助剂, 过程保温温度为 950 益 , 时 间 48 h, 压 力 69 ~ 83 MPa; 1973 年, Greskovich 等[5]采用 ThO2 为烧结助剂, 制备高透过率 Y2O3 陶瓷, 但是陶瓷的晶粒尺寸多大(100 ~ 150 滋m), 致使陶瓷的机械性能较差; 1981 年, Rhodes [6]合成了含有烧结助剂 8mol% ~ 12mol% La2O3 的 Y2O3 透明陶瓷, 并阐述了烧结机制为瞬时液相烧结机制, Wei 等[7]制备了 La2O3 增韧的 Y2O3 透明陶瓷, 证明其在红外截止波长要大于其他的材料, 见表 1, 但是其热导率有所下降;

1985 年, Y2O3 透明陶瓷作为导弹窗口和球罩材料受到了广泛的研究; 1986 年, Rhodes [8] 制备了 A12O3 和 Y2O3 复相陶瓷; 1988 年, Gyozo 制备了 Y2O3 透明陶瓷, 采用 BeO 作为烧结助剂; 烧结过程中烧结助剂和 Y2O3 形成液相, 加速传质, 保温温度为 2200 益 , 无压烧结工艺; 1996 年, Ikesue 等[9]合成了含有 Nd2O3 的 Y2O3 透明陶瓷(1mol% Nd 3+ :Y2O3 ), 2郾 5 滋m 处透过率可达到 80% 。 Saito 等[10] 、 Ikegami 等[11-12] 、 闻雷等[13] 均采用湿化学法结合真空烧结技术制备了较高光学质量的 Y2O3 透明陶瓷; Ikegami 阐述了沉淀法中分散剂(NH4 )2 SO4 的作用, 分散剂可以起到空间位阻的作用, 滴定时可以使颗粒更加的圆滑, 前驱体煅烧过程中可以防止晶粒之间团聚[12] 。 图 2 为纳米粉体合成的工艺流程。 此外 Bagayev 等[14] 利用脉冲激光沉积技术合成 Nd:Y2O3 粉体, 粉体的尺寸约为 10 nm, 且团聚较弱, 并采用独特的磁脉冲压缩技术在 0郾 5 ~ 1郾 5 GPa 高压成型, 在结合真空烧结技术成功制备 Nd:Y2O3 透明陶瓷, 同时采用所制备的陶瓷实现斜率效率约15% 的1郾 08 滋m 激光输出。 2003 年, 章健[15] 采用共沉淀法合成不同稀土离了掺杂的 Y2O3 透明陶瓷。 2005 年, 杨秋红[16] 成功制备高光学质量的掺 Nd 3+ 和 Yb 3+ 的 (Y,La)2O3 透明陶瓷, 实现 Nd 3+ :(Y,La)2O3 陶瓷的激光输出。

2 、Y2O3 的陶瓷的应用 

2.1 窗口材料 红外窗口是红外成像引导头的关键部件, 位于成像系统的最 前端。 红外窗口材料的优异的光学性能以及机械性能是保证红外 成像质量的前提, 对于窗口材料而言, 主要有表 1 中材料[17-24] 。 Y2O3 在较宽的波长范围内(0郾 23 ~ 8郾 0 滋m)都具有较高的透过率使 得其成为热点。 

2.2高压气体放电灯灯管

Y2O3 有着能耐金属钠蒸气和其他金属卤化物蒸气腐蚀的 化学稳定性。 同时光学性能和机械性能都能达到应用要求。 图 4 为 Wei [25]制备的采用 La2O3 增强 Y2O3 的陶瓷金属卤化物 灯灯管。 Lu [26]采用纳米粉体制备了 Y2O3 陶瓷, 烧结的温度相 对较低 ( 1750 oC), 同时制备的陶瓷的晶粒尺寸较小 ( 2 ~ 5 滋m), 具有较好的机械性能。

2. 3 Y2O3 基闪烁陶瓷

20 世纪 80 年代, 在 Y2O3 研究的基础上, 采用高温加上氢气气氛烧结制备(Y,Gd)2O3 :Eu,Pr 透明闪烁陶瓷[27] , 且具有较高的光学质量。 Gd2O3 的掺杂有效的增加陶瓷的密度和有效原子系数, 提高了陶瓷对 X 射线的吸收能力, 该材料由于具有较高的光输出、 与电荷灵敏度曲线的匹配性良好, 作为陶瓷闪烁体已装备于 GE 医疗部门所生产的 X-CT 上, 实现商业化生产。 表 2 列出 ( Y, Gd)2O3 : Eu, Pr ( YGO)、 Gd2O2 S: Pr, Ce, F (GOS)和 Gd3Ga5O12 :Cr、 Ce(GGG) Lu2O3 :Eu 闪烁陶瓷的性能对比[27]

2. 4 Y2O3 :RE 3+透明激光陶瓷

1972 年, Anderson [28]报道了采用 Nd:Y2O3 透明陶瓷为增益介质, 获得了激光输出。 之后, Greskovich 等[29-30] 报道采用 Nd 3+ :Y2O3 -ThO2 透明陶瓷为增益介质, 在闪光灯泵浦条件下, 获得激光阈值和斜率效率达到商业钕玻璃的水平。 在 2001 年, Lu 等[26]首次报道 LD 泵浦条件下 1郾 5moL% Nd:Y2O3 基透明陶瓷实现激光输出。 采用 LD 为泵浦源, 泵浦波长为 807 nm, 泵 浦功率为 742 mW, 获得了激光输出, 功率为 160 mW, 32% 斜率效率。 如今 Y2O3 透明陶瓷可以实现的最高输出功率为 10郾 5 W, 最短脉冲宽度达为 68 fs。 在倍半氧化物体系中, Nd 3+ 和 Yb 3+掺杂的 Lu2O3 , Sc2O3 , Y2O3 , YGdO3 材料实现了激光震荡[31-35] , 表 3 为不同氧化物陶瓷激光器的性能参数。

3.结 语

通过长期的研究, Y2O3 作为基体材料已成功地用于医学 CT, 激光介质和高温红外窗口等领域。 制备高质量的 Y2O3 透明陶瓷一直是研究的热点, 高质量的粉体就显得尤为重要。 多种粉体合成方式被报道出来, 但是本质都是为了合成高分散性、 高纯度、 优异烧结活性的粉体。 陶瓷烧结工艺也会根据材料的应用需求有所改进, 随着粉体合成技术和烧结工艺的发展, Y2O3 透明陶瓷制备工艺会更加深入, Y2O3 陶瓷在潜在的应用领域会发挥更大的作用。