doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-872-879


УДК 666.3

Исследование влияния концентрации оксида магния и отклонения от стехиометрии иттрий-алюминиевого граната на микроструктуру и оптическое пропускание керамики на его основе

Малявин Ф.Ф., Кравцов А.А., Тарала В.А., Никова М.С., Чикулина И.С., Вакалов Д.С., Лапин В.А., Кулешов Д.С., Медяник Е.В.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Малявин Ф.Ф., Кравцов А.А., Тарала В.А., Никова М.С., Чикулина И.С., Вакалов Д.С., Лапин В.А., Кулешов Д.С., Медяник Е.В. Исследование влияния концентрации оксида магния и отклонения от стехиометрии иттрий-алюминиевого граната на микроструктуру и оптическое пропускание керамики на его основе // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 6. С. 872–879. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-872-879



Аннотация
Предмет исследования. Исследовано влияние концентрации оксида магния на микроструктуру и оптическое пропускание керамики в условиях избытка катионов Al3+ (4,8 мол.%) и Y3+ (2,9 мол.%) в структуре граната, а также стехиометричного соотношения Y3+/Al3+ = 3/5. Метод. Образцы оптической керамики получены путем вакуумного спекания компактов, изготовленных из керамических порошков. Порошки-прекурсоры для керамики на основе иттрий-алюминиевого граната с различным соотношением катионов Y3+/Al3+ получены методом двухстадийного химического соосаждения. В качестве спекающей добавки использован оксид магния в концентрации от 0 до 0,2 масс.%. Исследована микроструктура и оптические свойства полученных образцов методами растровой электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и спектрофотометрии. Основные результаты. Показано, что при введении оксида магния в диапазоне концентраций 0–0,2 масс.% микроструктура и оптическое пропускание керамики существенно зависят от стехиометрии иттрий-алюминиевого граната. Практическая значимость. Получены образцы оптической керамики иттрий-алюминиевого граната со значением коэффициента светопропускания более 70 % в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

Ключевые слова: оптическая керамика, иттрий-алюминиевый гранат, стехиометрия, микроструктура, вакуумное спекание, средний размер зерна

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (проект МК-3786.2021.1.3). Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования Северо-Кавказского федерального университета при финансовой поддержке Минобрнауки России, уникальный идентификатор проекта RF----2296.61321X0029 (соглашение № 075-15-2021-687).

Список литературы
  1. Liu Q., Liu J., Li J., Ivanov M., Medvedev A., Zeng Y., Jin G., Ba X., Liu W., Jiang B., Pan Y., Guo J. Solid-state reactive sintering of YAG transparent ceramics for optical applications // Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 616. P. 81–88. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.06.013
  2. Yagi H., Yanagitani T., Numazawa T., Ueda K. The physical properties of transparent Y3Al5O12: Elastic modulus at high temperature and thermal conductivity at low temperature // Ceramics International. 2007. V. 33. N 5. P. 711–714. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2005.12.007
  3. Yang H., Zhang J., Luo D., Lin H., Shen D., Tang D. Novel transparent ceramics for solid-state lasers // High Power Laser Science And Engineering. 2013. V. 1. N 3–4. P. 138–147. https://doi.org/10.1017/hpl.2013.18
  4. Yanagida T., Takahashi H., Ito T., Kasama D., Enoto T., Sato M., Hirakuri S., Kokubun M., Makishima K., Yanagitani T., Yagi H., Shigeta T., Ito T. Evaluation of properties of YAG (Ce) ceramic scintillators // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2005. V. 52. N 5. Part 3. P. 1836–1841. https://doi.org/10.1109/TNS.2005.856757
  5. Taira T. Ceramic YAG lasers // Comptes Rendus Physique. 2007. V. 8. N 2. P. 138–152. https://doi.org/10.1016/j.crhy.2006.08.002
  6. Ikesue A., Aung Y.L. Ceramic laser materials // Nature Photonics. 2008. V. 2. N 12. P. 721–727. https://doi.org/10.1038/nphoton.2008.243
  7. Ikesue A., Aung Y.L., Taira T., Kamimura T., Yoshida K., Messing G.L. Progress in ceramic lasers // Annual Review of Materials Research. 2006. V. 36. P. 397–429. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.36.011205.152926
  8. Mezeix L., Green D.J. Comparison of the mechanical properties of single crystal and polycrystalline yttrium aluminum garnet // International Journal of Applied Ceramic Technology. 2006. V. 3. N 2. P. 166–176. https://doi.org/10.1111/j.1744-7402.2006.02068.x
  9. Лукин Е.С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой Ч. II. Обоснование принципов выбора модифицирующих добавок, влияющих на степень спекания оксидной керамики // Огнеупоры и техническая керамика. 1996. № 5. С. 2–9.
  10. Stevenson A.J., Li X., Martinez M.A., Anderson J.M., Suchy D.L., Kupp E.R., Dickey E.C., Mueller K.T., Messing G.L. Effect of SiO2 on densification and microstructure development in Nd:YAG transparent ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 2011. V. 94. N 5. P. 1380–1387. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.04260.x
  11. Lu Z., Lu T., Wei N., Ma B., Zhang W., Li F., Guan Y. Novel phenomenon on valence unvariation of doping ion in Yb:YAG transparent ceramics using MgO additives // Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition. 2013. V. 28. N 2. P. 320–324. https://doi.org/10.1007/s11595-013-0686-5
  12. Yang H., Qin X., Zhang J., Ma J., Tang D., Wang S., Zhang Q. The effect of MgO and SiO2 codoping on the properties of Nd:YAG transparent ceramic // Optical Materials. 2012. V. 34. N 6. P. 940–943. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2011.05.029
  13. Zhou T., Zhang L., Yang H., Qiao X., Liu P., Tang D., Zhang J. Effects of sintering aids on the transparency and conversion efficiency of Cr4+ Ions in Cr: YAG transparent ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 2015. V. 98. N 8. P. 2459–2464. https://doi.org/10.1111/jace.13616
  14. Zhou T., Zhang L., Wei S., Wang L., Yang H., Fu Z., Chen H., Selim F.A., Zhang Q. MgO assisted densification of highly transparent YAG ceramics and their microstructural evolution // Journal of the European Ceramic Society. 2018. V. 38. N 2. P. 687–693. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.09.017
  15. Mohammadi F., Mirzaee O., Tajally M. Influence of TEOS and MgO addition on slurry rheological, optical, and microstructure properties of YAG transparent ceramic // Optical Materials. 2018. V. 85. P. 174–182. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.08.047
  16. Kravtsov A.A., Nikova M.S., Vakalov D.S., Tarala V.A., Chikulina I.S., Malyavin F.F., Chapura O.M., Krandievsky S.O., Kuleshov D.S., Lapin V.A. Combined effect of MgO sintering additive and stoichiometry deviation on YAG crystal lattice defects // Ceramics International. 2019. V. 45. N 16. P. 20178–20188. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06.287
  17. Kravtsov A.A., Chikulina I.S., Tarala V.A., Evtushenko E.A., Shama M.S., Tarala L.V., Malyavin F.F., Vakalov D.S., Lapin V.A., Kuleshov D.S. Novel synthesis of low-agglomerated YAG:Yb ceramic nanopowders by two-stage precipitation with the use of hexamine // Ceramics International. 2019. V. 45. N 1. P. 1273–1282. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.10.010
  18. Malyavin F.F., Tarala V.A., Kuznetsov S.V., Kravtsov A.A., Chikulina I.S., Shama M.S., Medyanik E.V., Ziryanov V.S., Evtushenko E.A., Vakalov D.S., Lapin V.A., Kuleshov D.S., Tarala L.V., Mitrofanenko L.M. Influence of the ceramic powder morphology and forming conditions on the optical transmittance of YAG:Yb ceramics // Ceramics International. 2019. V. 45. N 4. P. 4418–4423. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.11.119
  19. Dai J., Pan Y., Chen H., Xie T., Kou H., Li J. Fabrication of Tb3Al5O12 transparent ceramics using co-precipitated nanopowders: The influence of ammonium hydrogen carbonate to metal ions molar ratio // Ceramics International. 2017. V. 43. N 16. P. 14457–14463. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.07.225
  20. Mendelson M.I. Average grain size in polycrystalline ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 1969. V. 52. N 8. P. 443–446. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1969.tb11975.x


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2022 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика