YAG透明陶瓷复合靶抗弹机理研究

透明陶瓷是兼具较好的力学和光学性能的新一代透明防护材料,在低面密度、高透过率、高防护能力的透明装甲方面有重要的应用前景.为探究YAG透明陶瓷复合靶抗弹机理,本文基于弹道枪测试平台与高速摄影技术,获得了12.7 mm穿甲燃烧弹冲击YAG透明陶瓷复合靶的弹靶冲击瞬态作用过程,确定了透明陶瓷复合靶各层损伤特征与弹体的破坏形态,测定了背板背凸量.在此基础上,利用AUTODYN动力学有限元模拟软件,建立了YAG透明陶瓷复合靶抗制式弹过程的有限元模拟方法,探究了典型结构透明陶瓷复合靶的抗弹机理,并分析了透明陶瓷与聚碳酸酯层厚度变化对其抗弹性能的影响规律.研究结果表明,透明陶瓷复合靶依靠透明陶瓷面板的高强度破碎弹体以有效消耗弹体冲击动能,玻璃层消耗陶瓷锥的冲击能量,背板吸收残余动能,从而实现低面密度的透明防护;透明陶瓷面板的增加能够更为有效地破坏弹体,从而实现提高装甲防护能力的目的;聚碳酸酯在一定的厚度范围区间能实现复合靶较低面密度的高效防护作用.

破片撞击下YAG 透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20~310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。

层状复合结构YAG/Yb∶YAG透明陶瓷的制备与性能研究

以高纯商业氧化物粉体为原料,通过干压成型结合冷等静压成型得到满足设计的层状复合结构陶瓷素坯,然后采用真空预烧(1750℃,30 h)结合热等静压烧结(1750℃,3 h,200 MPa,Ar气氛)成功制备了高光学质量的双层和三层复合结构YAG/10%Yb∶YAG(原子数分数)透明陶瓷。研究了复合结构透明陶瓷的光学透过率、显微结构和元素分布等。结果显示,双层和三层复合结构YAG/Yb∶YAG透明陶瓷(4 mm厚度)在1100 nm处的直线透过率分别为83.6%和84.1%。YAG与Yb∶YAG陶瓷区域均具有致密的显微结构,平均晶粒尺寸分别为29.0和34.5μm。中心切面的元素面扫描与线扫描分析显示,YAG与Yb∶YAG陶瓷区域的界线平直,Yb元素基本只存在于Yb∶YAG陶瓷区域,表明层状复合结构透明陶瓷的实际结构与初始设计一致。

Cr掺杂YAG透明陶瓷的价态调控及光学性能研究

Cr^(4+)∶YAG晶体材料是一种理想的被动调Q材料。利用MgO、CaO作为价态平衡剂和烧结助剂,采用低温真空预烧结结合热等静压(HIP)烧结成功制备了高光学质量的0.25%Cr^(4+)∶YAG(摩尔分数)透明陶瓷。探索了MgO、CaO及MgO-CaO双掺添加剂对Cr^(4+)∶YAG陶瓷的透过率、吸收光谱和荧光性能的影响规律。研究发现,相较于CaO和MgO-CaO双掺添加剂,MgO在1550℃低温真空预烧结时展现出了最好的Cr^(4+)∶YAG助烧致密化作用。尤其当MgO添加的摩尔分数为0.25%时,陶瓷相对密度高达98%。在1680℃HIP烧结之后的Cr^(4+)∶YAG陶瓷在1400 nm处直线透过率达到了最高值84.4%。与此同时,在1400℃退火处理20 h后,Cr^(4+)∶YAG陶瓷尽管仍存在部分Cr^(3+),但在1030 nm处Cr^(4+)的吸收系数高达3.0 cm^(-1)。

B_2O_3-SiO_2复合添加剂对Nd:YAG透明陶瓷的影响

采用传统固相法制备了掺杂不同B_2O_3/SiO_2的Nd:YAG透明陶瓷,研究了B_2O_3/SiO_2的引入对Nd:YAG透明陶瓷微观结构的影响。研究结果表明,B_2O_3/SiO_2的引入能够促进Nd:YAG透明陶瓷的烧结,为烧结过程提供液相环境;同时还减少了杂质相的引入。随着B_2O_3含量的增加,Nd:YAG透明陶瓷的致密度和收缩率增大,晶粒尺寸更均匀,且晶粒间和晶粒内的气孔减少。实验结果表明,B_2O_3/SiO_2含量为4:1时为最佳配比。

Ce^(3+)掺杂YAG透明陶瓷的制备与光性能研究

采用高纯微米级商业原料(≥99.99%)α-Al2O3、Y2O3和CeO2,用固相反应法制备了0.3at%Ce3+∶YAG透明陶瓷.粉体经行星式球磨,陶瓷素坯在1750℃真空烧结10h,真空度10-3Pa,双面抛光后,厚度为1.2mm的透明陶瓷试样在可见光区500~900nm的直线透过率可达80%左右,光学均匀性良好.荧光光谱分析表明,发射峰位于500~700nm之间,这是Ce3+的特征发射.结果表明,Ce∶YAG透明陶瓷的发光性能与相应的单晶相当,有望作为闪烁材料应用于中低能量射线(α、β粒子等)的探测.

Nd:YAG透明陶瓷的制备与激光输出

成功制备了高质量的Nd:YAG透明陶瓷,激光测试样品的尺寸为3mm×3mm×3mm,双面抛光、未镀膜,最高连续输出能量为1003mW,斜率效率为14％．

无水乙醇注浆成型制备YAG透明陶瓷

以无水乙醇作为分散介质,采用注浆成型工艺和真空烧结技术制备了光学质量良好的YAG透明陶瓷.双面抛光、厚度为3mm的YAG透明陶瓷样品(烧结温度1800℃)在可见光范围内的直线透过率为79%左右,在近红外波段的透过率为80%左右,接近理论透过率84%.样品的平均晶粒尺寸约为30μm,晶界处和晶粒内部均无杂质和第二相存在,也几乎没有气孔的残留.采用无水乙醇做分散剂进行注浆成型是一种很有发展潜力的透明陶瓷成型方法.

透明Nd:YAG激光陶瓷的研究与应用进展

综述了近年来,特别是近两年来国内外透明Nd:YAG激光陶瓷的研究与应用情况,重点对我国的透明Nd:YAG激光陶瓷研究近况进行了分析,指出了透明Nd:YAG激光陶瓷是目前陶瓷研究的热点。提出了透明Nd:YAG激光陶瓷研究中尚存在的问题和我国在此领域中与国外研究的巨大差距。分析指出:我国研究透明Nd:YAG激光陶瓷的各个院所之间,应该强强联合,优势互补,对该领域的理论和制备工艺进行更为深入的研究。

Yb：YAG透明陶瓷的制备和激光输出

制备了高质量的Yb:YAG透明陶瓷.Yb:YAG透明陶瓷的晶粒尺寸为10μm左右且分布均匀,晶界处和晶粒中没有杂质、气孔的存在.Yb:YAG样品中所有元素分布均匀,不同的晶粒间,晶粒和晶界间成分是一致的,没有出现成分的偏析.4mm厚样品的透过率为S0%.LD泵浦获得了波长为1030nm,最大功率为268mW的连续激光输出.

1．3at%Nd：YAG透明陶瓷的制备及激光性能研究

以高纯氧化物商业粉体为原料,采用固相反应和真空烧结技术,制备了高质量的1.3at%Nd:YAG透明陶瓷.研究了室温下Nd:YAG透明陶瓷的显微结构、光谱及激光性能.实验结果表明,Nd:YAG透明陶瓷主要以穿晶方式断裂;平均晶粒尺寸为15μm,且分布均匀;晶粒中和晶界处没有检测到杂质和气孔存在,且成分一致,无偏析现象.退火后样品在激光波长1064nm处的透过率高达82.4%;主吸收峰位于808.6nm处,峰值吸收系数为4.45cm^(-1),激光波长1064nm处的吸收系数为0.11cm^(-1);主荧光发射峰位于1064nm处,半高宽为0.82nm,荧光寿命为258μs.用LD端面泵浦Nd:YAG陶瓷样品(泵浦源最大输出功率为1000mW),获得了波长为1064nm的连续激光输出,激光阈值约530mW,斜率效率为23.2%,最大泵浦吸收功率为731mW时,最大输出功率为45mW.

共沉淀法制备YAG超细粉及透明陶瓷

研究了共沉淀法制备YAG透明陶瓷的工艺。采用Al(NO3)3和Y(NO3)3的混合溶液为母盐,以碳酸氢铵为沉淀剂,采用共沉淀法制备了化学组成为Y2(CO3)3·nH2O+NH4AlO(OH)HCO3的碳酸盐先驱沉淀物。使用透射电镜和X射线衍射对先驱沉淀物的形貌及煅烧过程的相转变进行了研究。结果表明先驱沉淀物在900℃煅烧2h后完全转变为YAG相。1100℃煅烧后得到的YAG粉体具有良好的烧结性能。使用0.5%(质量分数)的TEOS(正硅酸乙酯)作为烧结添加剂,1700℃真空烧结5h后,得到了透明YAG烧结体。

Nd^3＋离子掺杂YAG激光透明陶瓷的光谱性质及Judd-Ofelt理论分析

采用固相反应和真空烧结技术制备了掺杂浓度为1.0at%的Nd:YAG透明陶瓷样品,并测试了样品的吸收光谱和荧光光谱.样品在主吸收峰808nm处的吸收截面为3.10×10^(-20)cm^2,主荧光发射峰位于1064nm处,实测荧光寿命为257μs.应用Judd-Ofelt理论计算了Nd^(3+)在YAG中的强度参数Ω_λ(λ=2,4,6)、跃迁的振子强度、自发辐射跃迁几率、辐射寿命、荧光分支比等光谱参数.最后计算得到Nd:YAG透明陶瓷中Nd^(3+):~4F_(3/2)→I_(11/2)跃迁对应的受激发射截面大小为3.81×10^(-19)cm^2.结果表明:Nd:YAG透明陶瓷具有较大的受激发射截面和高的荧光量子效率(接近100%),是一种性能优良的激光材料.

MgAl_2O_4/Ce∶YAG透明陶瓷的制备及光学性能

采用金属醇盐法制备MgAl2O4前躯体,通过高温煅烧2～4h得到纯相MgAl2O4粉体,再将其与YAG∶Ce荧光粉均匀混合,利用热压烧结并结合热等静压处理得到MgAl2O4/Ce∶YAG透明陶瓷。利用XRD,SEM,EDS和荧光光谱仪对样品进行物相和光学性能分析。实验表明样品由MgAl2O4和YAG两相组成,YAG晶粒均匀地分散在MgAl2O4基质中。样品在340和475nm有两个激发峰。发射光谱在533nm处有一宽峰,属于Ce3+的5d→4f特征跃迁发射,其荧光寿命为59.74ns。结果表明,MgAl2O4/Ce∶YAG透明陶瓷是一种可用于白光LED的新型荧光材料。

真空烧结Nd:YAG透明陶瓷的研究

以高纯Al2O3、Y2O3和Nd2O3粉体为原料,少量MgO和SiO2为添加剂,采用真空烧结方法制备了不同掺杂浓度的Nd:YAG(Y3Al5O12)透明陶瓷,并且对烧成的Nd:YAG陶瓷的显微结构和光学性能进行了研究.结果发现,真空烧结有利于气孔的排出,从而达到几乎完全致密化;适量烧结助剂的添加,有利于提高陶瓷的烧结活性和透光性;Nd:YAG陶瓷能够实现高浓度掺杂,但是透过率随着Nd掺杂量的增加有所降低,光吸收随着掺杂量的增加而增加;掺杂浓度升高,发射谱峰出现展宽,并且出现红移现象,当Nd3+的掺杂浓度大于3.0%(原子分数)时,发射强度急剧降低.

固相反应法制备Nd:YAG透明陶瓷

以Y(NO3)3和NH3·H2O为原料,并在Y(NO3)3溶液中添加少量(NH4)2SO4,采用沉淀法制备出化学组成为Y2(OH)5(NO3)·nH2O的先驱沉淀物.先驱沉淀物在1100℃下煅烧4h,得到了平均粒径为60nm的氧化钇原料粉体.Y2O3粉体与Al2O3、Nd2O3超细粉球磨混合后,采用固相反应工艺,经1700℃真空烧结5h,制备出透明的Nd:YAG陶瓷,同时对Nd:YAG透明陶瓷的光学性能进行了研究.

低温燃烧法制备Nd:YAG透明激光陶瓷粉体

以硝酸盐和柠檬酸为初始原料,用低温燃烧法制备出掺钕钇铝石榴石(Nd:Y3Al5O12,Nd:YAG)多晶超细粉体,并采用XRD,SEM等测试手段对粉体的结构和形貌进行了表征。结果表明,在950℃煅烧2h得到了结晶性能良好的Nd:YAG超细粉体,该粉体分散均匀、粒级分布窄、平均粒度为50nm。上述粉体加入0.5%正硅酸乙酯成型后,采用SPS于1600℃,30MPa下烧结5min后相对密度达98.5%,晶粒尺寸在1μm左右,显微结构均匀,气孔率低。

Nd∶YAG多晶透明陶瓷的光谱性质

为了研究Nd∶YAG多晶透明陶瓷作为激光增益介质的可能性 ,测量了掺杂原子数分数为 1%的Nd∶YAG多晶透明陶瓷的吸收光谱、荧光光谱、荧光寿命等光学参量 ,并和Nd∶YAG单晶进行了比较。测量结果表明 ,Nd∶YAG多晶透明陶瓷作为激光增益介质具有极大的潜力。

Cr^(4+),Nd^(3+)∶YAG自调Q激光透明陶瓷的光谱性质

以高纯α-Al2O3、Y2O3、Nd2O3和Cr2O3粉体为原料,CaO为电荷补偿剂,正硅酸乙酯(TEOS)为烧结助剂,采用固相反应法和真空烧结技术成功制备了高质量的Cr4+,Nd3+∶YAG透明陶瓷。研究了其在室温下的吸收光谱和发射光谱性质,0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG(Cr,Nd为摩尔分数,下同)透明陶瓷在808nm处的吸收截面为4.27×10-20cm2,1064nm处的发射截面和荧光寿命分别为1.52×10-20cm2和206μs。由Cr4+,Nd3+∶YAG透明陶瓷的吸收和发射光谱计算出的吸收和发射截面,进一步估算了材料的激光性能参数,并对其激光性能进行理论预测。Cr,Nd∶YAG透明陶瓷很可能是一种具有潜力的自调Q激光材料。

YAG透明陶瓷的研究进展

对透明YAG陶瓷的特性以及制备工艺做了重点介绍,讨论了影响YAG陶瓷透光性的主要因素,展望了该领域的发展前景以及今后的研究趋势.