ОСОБЕННОСТИ КОМПАКТИРОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ НАНОПОРОШКОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОЙ КЕРАМИКИ YAG:YB

Высокопрозрачная керамика на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного иттербием (YAG:Yb), является перспективным материалом для создания активных тел высокомощных твердотельных лазеров с диодной накачкой [4, 5]. Согласно [1, 3] для получения высокопрозрачной оптической керамики необходимо использование ультрадисперных керамических порошков. Развитая поверхность ультрадисперных порошков приводит к значительному трению при одноосном прессовании и формированию макродефектов в компактах [2]. Решающим фактором, приводящим к появлению макродефектов в компактах в процессе одноосного прессования, является выбор неподходящей величины давления. Целью данной работы являлось определение оптимального диапазона давлений одноосного прессования (P) с учетом дисперсности порошка, при которых в компактах не образуются макродефекты.

В эксперименте были использованы керамические порошки состава YAG:Yb, полученные методом обратного гетерофазного соосаждения. Концентрация иттербия составляла 20 ат.%. Дисперсность керамических порошков оценивалась по величине удельной площади поверхности S, которая изменялась от 1,50 до 12,39 м2/г. Размер кристаллитов составлял 50-100 нм. Прессование проводилось с использованием пресса ПЛГ-20 в стальных пресс-формах в диапазоне давлений 50-200 МПа.

Эффективность компактирования керамических порошков оценивалась по значению величины относительной плотности (θ) компактов после одноосного прессования, сохранению формы компактов и отсутствию макродефектов (трещин и расслоений).

На рисунке 1 а представлены результаты, иллюстрирующие зависимость относительной плотности компактов от величины удельной площади поверхности при фиксированном значении P=50 МПа. Из представленных данных видно, что при увеличении удельной площади поверхности керамических порошков относительная плотность компактов снижается. Наиболее существенное уменьшение θ происходит при значениях S более 6 м2/г.

Кривые уплотнения, описывающие зависимость относительной плотности от давления одноосного прессования для керамических порошков с минимальной и максимальной величиной удельной площади поверхности (S=1,50 и 12,39 м2/г соответственно) представлены на рисунке 1 б.

При увеличении давления одноосного прессования независимо от удельной площади поверхности плотность компактов пропорционально возрастает. Наиболее интенсивное уплотнение наблюдается в диапазоне значений P от 50 до 150 МПа. Дальнейшее увеличение P от 150 до 200 МПа не приводит к существенному увеличению θ.

Использование давлений одноосного прессования более 50 МПа для керамических порошков со значениями S более 6 м2/г приводит к формированию макродефектов, проявляющихся в виде разрушении кромок. При дальнейшем увеличении удельной площади поверхности и давления одноосного прессования данные эффекты усиливаются, появляются трещины и расслоения, значительно повышается процент брака при прессовании. Наиболее явно описанные макродефекты выражены для образцов, полученных из керамических порошков со значением S более 10 м2/г. На рисунке 2 представлены фото образцов керамики с макродефектами.

На основании полученных результатов можно заключить, что с увеличением удельной площади поверхности прессуемость и формуемость керамических порошков значительно ухудшаются. Экспериментально определено, что оптимальный диапазон значений давлений одноосного прессования для керамических порошков со значениями S от 1,5 до ~6 м2/г составляет 50 – 200 МПа, и не более 50 МПа для керамических порошков со значениями S более 6 м2/г.

Список литературы

1.   Багаев, С.Н. Получение нанопорошков Re2O3 (Re = Y, La, Yb, Nd) со сферическими частицами и лазерных керамик на их основе / С.Н.Багаев и др. // «Квантовая электроника». – 2013. – том 43, № 3.– С. 271-275.

2. Хасанов, О. Л. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий / О. Л. Хасанов, Э. С. Двилис, З. Г. Бикбаева. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 196 c.

3.   Malyavin F.F. et al. Influence of the ceramic powder morphology and forming conditions on the optical transmittance of YAG:Yb ceramics // Ceram. Int. 2018.

4. Nakamura S. et al. High-Power High-Efficiency Yb3+ -Doped Y3Al5O12 Ceramic Laser at Room Temperature // Jpn. J. Appl. Phys. 2008. Vol. 47, № 4. P. 2149–2151.

5. Wu H. et al. Fabrication of Yb3+-doped YAG transparent ceramics by aqueous gelcasting // J. Sol-Gel Sci. Technol. Springer US, 2015. Vol. 77, № 1. P. 211–217.