本发明涉及透明陶瓷制备技术领域，具体涉及一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法。
背景技术：
高性能激光增益材料是激光技术发展和应用的核心与基础，继激光晶体和玻璃之后，透明激光陶瓷作为新一代激光材料引起国内外的广泛关注。激光陶瓷作为固体激光器的增益介质，具有掺杂浓度高，光学性质优良，热导率高，损伤阈值高、激光输出效率高、耐热冲击性好、易制造、成本低、尺寸大、可大批量生产、结构可设计性强等优点，在固体激光器领域发挥着重要作用。1995年，ikesue等用固相反应法制备了nd:yag透明陶瓷并首次获得了激光输出，随后，其他稀土离子如yb，er，ho，tm，等掺杂的yag透明陶瓷在产生不同激光波长及在固体激光器方面的应用研究也引起广泛的关注与研究。
尽管yag陶瓷及倍半氧化物透明陶瓷具有较高的热导率，但是随着掺杂浓度的提升，会降低陶瓷的热导率。因此，对于单一结构的透明陶瓷增益介质，特别是高掺杂及大尺寸介质中，在激光运作过程中存在着严重的热效应问题，长时间工作会出现光学畸变、输出功率受限、易机械破坏以及热透镜效应造成的光束质量下降等问题，从而降低了激光性能，限制固体激光器激光输出功率及效率的提升。通过在增益介质周围键合纯yag或其他高热导率材料成复合结构透明陶瓷就能有效的进行热管理。传统的干压成型只能制备小尺寸简单形状的陶瓷，无法满足复合结构陶瓷成型的工艺要求，而热键合、等离子喷涂法、加热模压法、激光熔覆法、磁控溅射法等，则存在制备成本高、光学质量差、结构整体性差、热效应控制能力一般等一系列问题。近年来，流延成型、注浆成型在制备复合结构透明陶瓷方面取得较大进展，改善了激光陶瓷的热管理，但是由于素坯致密度需要进行进一步等静压处理，增加额外工艺程序，设备要求高，增加生产成本。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，设备成本低，工艺简单，成型效果好，素坯强度高、致密度高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法。
(1)将单体丙烯酰胺、交联剂n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、分散剂柠檬酸铵、ph调节剂四甲基氢氧化铵与去离子水按一定比例混合，配制成预混液；
(2)将re:yag陶瓷粉体加入到所述预混液中，配制成固含量为48～50vol％的水基re:yag陶瓷浆料，然后球磨4～6h，球磨转速150～180r/min；
(3)球磨陶瓷浆料中加入催化剂四甲基乙二胺溶液后，真空除泡5～10min，再加入引发剂过硫酸铵溶液，超声搅拌1～3min；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷浆料注入圆柱玻璃管模具中，凝胶固化12～20h后脱模，得到re:yag素坯；
(5)以脱模后的re:yag素坯为型芯放入圆柱玻璃模具中，在型芯周围注入固含量为50～52vol％的纯yag陶瓷浆料，纯yag陶瓷浆料的制备方式同re:yag陶瓷浆料，纯yag浆料中丙烯酰胺单体含量为2～3wt％，凝胶成型yag/re:yag；
(6)将脱模后的复合结构素坯先在30～40℃恒温恒湿箱中干燥10～15h，再升温至50～60℃干燥10～20h。
(7)将干燥后的复合结构素坯置于空气气氛中先360～380℃煅烧6～8h，再升温至600～900℃煅烧4～6h，最后将素坯置于真空炉中1700～1780℃烧结8～20h，得到芯壳结构yag/re:yag透明陶瓷。
优选的，所述re:yag陶瓷粉体的化学通式为(y1-xrex)3al5o12，re为稀土元素铈、镨、钕、钐、铕、铽、镝、钬、铒、铥或镱中的一种，x的范围是0.001～0.15。
优选的，步骤(1)中，所述单体含量为陶瓷粉体的1.0～1.5wt％，交联剂含量为陶瓷粉体的0.1～0.15wt％，分散剂含量为陶瓷粉体的0.2～0.6wt％，ph调节剂含量为陶瓷粉体的1.0～2.0wt％。
优选的，步骤(3)中，所述四甲基乙二胺溶液的质量分数为5～10％，四甲基乙二胺溶液的添加量为0.2～0.5vol％，过硫酸铵溶液的质量分数为20～30％，过硫酸铵溶液的添加量为0.5～1.0vol％。
优选的，步骤(6)中，30～40℃干燥时湿度为80～90％rh，50～60℃干燥时湿度为30～40％rh。
优选的，步骤(7)中，所述的在空气中煅烧升温速率为0.5～2℃/min升到360～380℃，5～10℃/min升到600～900℃。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、采用凝胶注模成型工艺制备芯壳结构yag基透明陶瓷，工艺简单，无需冷等静压处理即可烧结致密无形变。
2、通过控制芯壳两种浆料的固含量来改善干燥，芯部浆料固含量低于壳部浆料固含量，以含水量的浓度差异来抑制壳部水分往芯部扩散，素坯干燥无形变，凝胶含量调控微观结构改善复合结构素坯均匀性，同时两种浆料固含量都很高，无需担心烧结致密。
附图说明
图1为本发明制备的yag基透明陶瓷的芯壳结构示意图。
图2为实施例1中芯壳结构素坯微观结构图：(a)yag，(b)yb:yag。
图3为实施例1中素坯的微观孔径尺寸分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，包括以下步骤：
(1)将1.2wt％单体丙烯酰胺、0.12wt％交联剂n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、0.4wt％分散剂柠檬酸铵、1.5wt％ph调节剂四甲基氢氧化铵与去离子水混合，配制成预混液；
(2)将1at％yb:yag粉体加入到所述预混液中，配制成固含量为49vol％的陶瓷浆料，然后球磨5h，球磨转速160r/min；
(3)在球磨陶瓷浆料中加入催化剂0.5vol％的质量分数为8％的四甲基乙二胺溶液后，真空除泡8min，再加入引发剂0.5vol％的质量分数为15％的过硫酸铵溶液，超声搅拌2min；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷浆料注入内径10mm的圆柱玻璃管模具中，凝胶固化15h后脱模，得到re:yag素坯；
(5)以脱模后的re:yag素坯为型芯放入内径20mm的圆柱玻璃模具中，在型芯周围注入固含量为51vol％的纯yag浆料，纯yag陶瓷浆料的制备方式同re:yag陶瓷浆料，纯yag浆料中单体含量为2.5wt％，凝胶成型yag/yb:yag；
(6)将脱模后的复合结构素坯先在35℃、湿度为85％rh恒温恒湿箱中干燥10～15h，再升温至55℃、湿度为35％rh干燥15h；
(7)将干燥后的复合结构素坯置于空气气氛中先以1℃/min升温至370℃煅烧7h，再以7℃/min升温至720℃煅烧5h，最后将素坯置于真空炉中1750℃烧结12h，得到芯壳结构yag/re:yag透明陶瓷，其结构示意图如图1所示，内芯部为yb:yag陶瓷，外壳部为yag陶瓷。
如图2所示，图2(a)为外部yag素坯排胶后微观结构，图2(b)为芯部yb:yag素坯排胶后微观结构，外部与芯部素坯微观结构均匀致密且无明显差异。
如图3所示，本发明制得的芯部素坯微观孔径尺寸约80nm，壳部素坯微观孔径尺寸约70nm，致密度接近，内外部素坯孔径尺寸都呈单峰分布，结构均匀。
实施例2
一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，包括以下步骤：
(1)将1.0wt％单体丙烯酰胺、0.1wt％交联剂n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、0.2wt％分散剂柠檬酸铵、1.0wt％ph调节剂四甲基氢氧化铵与去离子水混合，配制成预混液；
(2)将0.1at％ce:yag粉体加入到所述预混液中，配制成固含量为48vol％的陶瓷浆料，然后球磨4h，球磨转速150r/min；
(3)在球磨陶瓷浆料中加入催化剂0.3vol％的质量分数为5％的四甲基乙二胺溶液后，真空除泡5min，再加入引发剂0.7vol％的质量分数为20％的过硫酸铵溶液，超声搅拌1min；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷浆料注入内径10mm的圆柱玻璃管模具中，凝胶固化12h后脱模，得到ce:yag素坯；
(5)以脱模后的ce:yag素坯为型芯放入内径20mm的圆柱玻璃模具中，在型芯周围注入固含量为50vol％的纯yag浆料，纯yag陶瓷浆料的制备方式同ce:yag陶瓷浆料，纯yag浆料中单体含量为2wt％，凝胶成型yag/ce:yag；
(6)将脱模后的复合结构素坯先在30℃、湿度为80％rh恒温恒湿箱中干燥10h，再升温至50℃、湿度为30％rh干燥10h；
(7)将干燥后的复合结构素坯置于空气气氛中先以0.5℃/min升温至360℃煅烧6h，再以5℃/min升温至600℃煅烧4h，最后将素坯置于真空炉中1700℃烧结20h，得到芯壳结构yag/ce:yag透明陶瓷。
实施例3
一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，包括以下步骤：
(1)将1.5wt％单体丙烯酰胺、0.15wt％交联剂n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、0.6wt％分散剂柠檬酸铵、2.0wt％ph调节剂四甲基氢氧化铵与去离子水混合，配制成预混液；
(2)将15at％yb:yag粉体加入到所述预混液中，配制成固含量为50vol％的陶瓷浆料，然后球磨6h，球磨转速180r/min；
(3)在球磨陶瓷浆料中加入催化剂0.2vol％的质量分数为10％的四甲基乙二胺溶液后，真空除泡10min，再加入引发剂1.0vol％的质量分数为30％的过硫酸铵溶液，超声搅拌3min；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷浆料注入内径10mm的圆柱玻璃管模具中，凝胶固化20h后脱模，得到yb:yag素坯；
(5)以脱模后的yb:yag素坯为型芯放入内径20mm的圆柱玻璃模具中，在型芯周围注入固含量为52vol％的纯yag浆料，纯yag陶瓷浆料的制备方式同re:yag陶瓷浆料，纯yag浆料中单体含量为3wt％，凝胶成型yag/yb:yag；
(6)将脱模后的复合结构素坯先在40℃、湿度为90％rh恒温恒湿箱中干燥15h，再升温至60℃、湿度为40％rh干燥20h；
(7)将干燥后的复合结构素坯置于空气气氛中先以2℃/min升温至380℃煅烧8h，再以10℃/min升温至900℃煅烧6h，最后将素坯置于真空炉中1780℃烧结8h，得到芯壳结构yag/yb:yag透明陶瓷。
1.一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将单体丙烯酰胺、交联剂n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、分散剂柠檬酸铵、ph调节剂四甲基氢氧化铵与去离子水按一定比例混合，配制成预混液；
(2)将re:yag陶瓷粉体加入到所述预混液中，配制成固含量为48～50vol％的水基re:yag陶瓷浆料，然后球磨4～6h，球磨转速150～180r/min；
(3)球磨陶瓷浆料中加入催化剂四甲基乙二胺溶液后，真空除泡5～10min，再加入引发剂过硫酸铵溶液，超声搅拌1～3min；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷浆料注入圆柱玻璃管模具中，凝胶固化12～20h后脱模，得到re:yag素坯；
(5)以脱模后的re:yag素坯为型芯放入圆柱玻璃模具中，在型芯周围注入固含量为50～52vol％的纯yag陶瓷浆料，纯yag陶瓷浆料的制备方式同re:yag陶瓷浆料，纯yag浆料中丙烯酰胺单体含量为2～3wt％，凝胶成型yag/re:yag；
(6)将脱模后的复合结构素坯先在30～40℃恒温恒湿箱中干燥10～15h，再升温至50～60℃干燥10～20h。
(7)将干燥后的复合结构素坯置于空气气氛中先360～380℃煅烧6～8h，再升温至600～900℃煅烧4～6h，最后将素坯置于真空炉中1700～1780℃烧结8～20h，得到芯壳结构yag/re:yag透明陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，其特征在于，所述re:yag陶瓷粉体的化学通式为(y1-xrex)3al5o12，re为稀土元素铈、镨、钕、钐、铕、铽、镝、钬、铒、铥或镱中的一种，x的范围是0.001～0.15。
3.根据权利要求1所述的一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述单体含量为陶瓷粉体的1.0～1.5wt％，交联剂含量为陶瓷粉体的0.1～0.15wt％，分散剂含量为陶瓷粉体的0.2～0.6wt％，ph调节剂含量为陶瓷粉体的1.0～2.0wt％。
4.根据权利要求1所述的一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述四甲基乙二胺溶液的质量分数为5～10％，四甲基乙二胺溶液的添加量为0.2～0.5vol％，过硫酸铵溶液的质量分数为20～30％，过硫酸铵溶液的添加量为0.5～1.0vol％。
5.根据权利要求1所述的一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤(6)中，30～40℃干燥时湿度为80～90％rh，50～60℃干燥时湿度为30～40％rh。
6.根据权利要求1所述的一种凝胶注模制备yag基芯壳结构棒状透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤(7)中，所述的在空气中煅烧升温速率为0.5～2℃/min升到360～380℃，5～10℃/min升到600～900℃。
技术总结