钇铝石榴石基透明陶瓷专利技术分析
时间：2020-03-18 05:09:41 来源：千叶帆 本文已影响人
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摘 要：结构-功能一体化材料的研发是当前材料科学发展的基本趋势之一，透明陶瓷则是这一趋势的代表，本文以钇铝石榴石基透明陶瓷的专利数据为样本，以技术问题和技术手段为入口，剖析了国内外这种氧化物透明陶瓷专利技术的整体态势以及技术概况，旨在为我国研发人员宏观了解本行业的现状提供参考，也为氧化物透明陶瓷相关企业和科研机构提供决策参照。
关键词：钇铝石榴石；透明陶瓷；专利分析；技术问题；技术手段
中图分类号：G31 文献标识码：A
钇铝石榴石透明陶瓷是一种综合性能优良的激光基质（包括光学、力学和热学），熔融温度较高（1930℃）、机械强度较强、耐热性能良好，是用于激光发射器及热辐射转换器的耐化学腐蚀结构材料、核辐射记录用的透明材料及真空仪表部件的理想材料。
一、钇铝石榴石（YAG）型/基透明陶瓷研究现状
目前，国内外很多研究小组都致力于陶瓷激光器的研究以探索和开发陶瓷激光介质的潜能。1984年，荷兰Philips研究实验室的DeWithG等采用硫酸钇和硫酸铝的混合溶液作为初始原料，以SiO2和MgO为烧结助剂，经冷等静压成形和真空烧结工艺于1800℃烧结出YAG透明陶瓷，其相对密度接近100%，透光率在50%～80%。随后SekitaM.采用均相共沉淀法，以尿素作为沉淀剂制备出Nd3+：YAG粉末，用冷等静压成形和真空烧结工艺制得Nd3+不同掺杂量的YAG陶瓷，其中1%Nd：YAG陶瓷的光谱性能与采用提拉法以及区熔法生长出来的单晶几乎一致。1995年，日本科学家Ikesue等人利用颗粒尺寸小于2μm的Al2O3、Y2O3和Nd2O5粉末作为起始材料制成高透明度Nd：YAG陶瓷，此样品的散射损耗（0.009cm-1）很低，首次获得了激光输出，斜率效率为28%，激光最大输出功率为70MW。日本Konoshima化学公司的YanagitaniT.研究小组采用纳米技术和真空烧结方法制备出高透明度高质量的多晶Nd：YAG透明陶瓷，平均晶粒尺寸约10μm，晶界宽度小于1nm，陶瓷孔隙率只有ppm级其吸收、发射光谱以及荧光寿命等与单晶几乎一致。新型Nd：YAG透明陶瓷具有与Nd：YAG单晶同样优越的光谱特性、良好的化学稳定性以及优秀的物理和激光特性，具有制造成本低、尺寸大、输出功率高、可批量生长等特点，完全有希望成为新一代的固体激光材料。
本文以美国、日本、欧洲、中国等主要国家和地区的钇铝石榴石专利数据为分析样本，在中国专利文摘数据库（CNABS）和德温特世界专利索引数据库（DWPI）中进行检索，检索关键词为氧化物，陶瓷，透明，透光，光学，钇铝石榴石，YAG， oxide，ceramic？，transpare+，optic+，transmi+， garnet，分类号包括C04B35/00-C04B41/00，H01L41/00，以及下位组等分类号；利用IPC分类号加关键词的方式进行检索。分析了历年技术问题和历年技术手段的发展趋势、以及技术问题和技术手段的对应发展关系。
二、钇铝石榴石（YAG）型/基透明陶瓷技术发展脉络分析
1 技术问题随年代的变化
将检索到的专利文献进行技术问题的标引，并进行技术问题随年代变化的分析，结果参见图1钇铝石榴石基透明陶瓷的技术问题随年代的变化。
从图1可以看出，钇铝石榴石基透明陶瓷的研究是从上世纪九十年代开始的，但是专利申请量并不大，主要集中在提高透光率和简化工艺流程、降低成本量方面。直到进入二十一世纪，对钇铝石榴石基透明陶瓷的研究和开发逐渐增加，而提高钇铝石榴石基透明陶瓷的透光率仍是透明陶瓷研究领域的重点和热点。其次，随着钇铝石榴石基透明陶瓷应用领域的扩大，简化工艺流程，降低成本以得到性能优异而且便宜的钇铝石榴石基透明陶瓷也成为本领域研究的热点。提高稳定性、实现透明闪烁、实现特殊尺寸的制备、提高粉体的烧结活性也是本领域关注比较多的，这也说明了对钇铝石榴石基透明陶瓷的性能存在不同方面的要求。
2 技术手段随年代的变化
将检索到的专利文献进行技术手段的标引，并进行技术手段随年代变化的分析，结果参见图2钇铝石榴石基透明陶瓷的技术手段随年代的变化。
从图2可以看出，2000年以前对钇铝石榴石基透明陶瓷的研究和开发较少，说明当时的申请人对钇铝石榴石透明陶瓷的性质和特点还没有充分的认识，其在产业上的应用很少，导致专利申请量不多，此时对钇铝石榴石透明陶瓷的技术改进主要集中在掺杂上。2000年以后，随着人们对钇铝石榴石透明陶瓷的认知越来越深入，专利申请量也逐年增加，尽管掺杂仍然是非常关键的技术手段，但是原位替代、添加助剂改变烧结性能，成型方法如注浆成型、冷静压成型等研究和开发也逐渐增多。随着技术的发展，一些新型的技术手段如放电等离子体法、制备钇铝石榴石纳米粉体的方法、粉体包覆、固相烧结，磁场取向成型也应用于钇铝石榴石透明陶瓷的制备和生产方法，从而提高了钇铝石榴石透明陶瓷的各项性能，拓宽其用途。
3 潜在技术入口
将检索到的专利文献中技术问题和技术手段的关联分析，结果参见图3钇铝石榴石基透明陶瓷的技术手段和技术问题的关系。
从图3可以看出，掺杂以改进钇铝石榴石基透明陶瓷的性能，特别是提高透光率、激光输出功率、其他光学性能、实现透明闪烁和简化工艺流程是本领域常用的技术手段，而申请人对钇铝石榴石基透明陶瓷的性能改性主要集中在提高透光率上，从中看出钇铝石榴石基陶瓷的透光率是本领域关注的焦点，也说明了透光率是实现其优异性能的重中之重，而常采用的提高透光率的方法是掺杂、特别是掺杂稀土离子。这也与人们对稀土离子的认识越来越多有关。原位取代、化学沉淀法制粉体、添加助剂、注浆成型和真空烧结等制备方法也是常用的。随着纳米技术的发展和纳米粒子特殊的性能，本领域也希望获得更小粒径的钇铝石榴石基透明陶瓷以开拓其更多的用途。提高致密度也是本领域所关注的焦点。在以后对钇铝石榴石基透明陶瓷的研究和开发中，除了掺杂外，可以更多的关注提高其致密度和细化晶粒等技术问题的解决。
结语
本文通过对钇铝石榴石基氧化物透明陶瓷领域的技术问题发展趋势和技术手段发展趋势、以及技术问题和技术手段的关联性分析，可以得出以下结论：首先，钇铝石榴石基（YAG型）透明陶瓷透明材料制备技术始于上世纪九十年代，发展一直较缓慢，直至进入二十一世纪其研发才逐渐增加，提高钇铝石榴石基陶瓷的透光率、简化工艺流程，降低成本，提高稳定性是本领域关注的焦点。
其次，从技术手段来看，掺杂、添加助剂、化学沉淀制粉这三种技术手段应该作为优先考虑的对象，原因有二：一是因为已经有众多相关的专利文献可以借鉴，因此研发过程中可以避免走很多弯路，可以省去很多重复工作，提高工作效率；二是因为原料成分的调整、不同掺杂元素以及添加不同的助剂等手段对钇铝石榴石基透明陶瓷的性能影响很大，特别是对其透光率等光学性能有显著影响，因此通过对原料成分的改进来改善氧化物透明陶瓷的应用性仍有很大发展空间。
最后，由于我国起步较晚，专利申请人主要是高校和科研院所，并未实现较好的产业化，而国外的大型企业集团已经拥有先进的技术，并且占有了大部分的市场份额，所以在开创性技术方面想要有所突破，存在很大困难。所以应该结合我国企业的发展模式进行有针对性的钇铝石榴石基（YAG型）透明陶瓷透明材料的研究和改性。如以市场为需求，对核心专利进行改进以期获得技术上的突破。选择合适的掺杂离子或添加助剂来调节钇铝石榴石基（YAG型）透明陶瓷透明材料的透光性能，这种做法技术上有原理的支持，操作也比较容易实现，是一个投资小、见效快的切入点。
参考文献
[1]DE WITH G，VAN DIJK HJA.Translucent Y3Al5O12 Ceramics[J]. Mater. Res. Bull.， 1984，19：1669-1674.
[2]SEKITA M. Induced Emission Cross Section of Nd：Y3Al5O1.2 Ceramics[J]. J，Appl.Phys.，1990，67（1）：453-458.
[3]I KESUE A，KINOSHITA T，KAMATA K，etal. Fabrication and optical properties of high performance polycrystalline Nd：YAG ceramics for solid -state lasers [J]. J.Am.Ceram. Soc.，1995，78 （4）：1033-1040.
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