КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 18-73-00145
НазваниеКомбинированные лазерные керамики на основе иттрий-алюминиевого граната: синтез, изучение свойств и применение
Руководитель Косьянов Денис Юрьевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" , Приморский край
Конкурс №29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые слова Оксидные порошковые системы; Диффузионно-лимитированные процессы; Иттрий-алюминиевый гранат; Керамические твердые растворы; Твердофазное реакционное спекание; Уплотнение; Рекристаллизация; Комбинированная лазерная керамика; Микроструктура; Пористость; Дефекты кристаллической решетки; Оптические свойства; Лазерная генерация.
Код ГРНТИ61.35.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Создание современных оптических поликристаллических (керамических) материалов для нужд фотоники и лазерной техники является критическим направлением, обеспечивающим приоритетное развитие и безопасность отрасли. Соответствие наступившему, в рамках 6-го технологического уклада, периоду широкого распространения технологий производства целевых функциональных материалов требует применения передовых методов их получения, резкого снижения энергоёмкости и материалоёмкости производства, а также возможности их конструирования с заданными уникальными свойствами и эксплуатационными характеристиками.
Предлагаемые в Проекте уникальные подходы в рамках керамических технологий ставят целью исключение многих принципиальных ограничений, которые накладываются традиционными методами выращивания монокристаллов на материалы для лазерных систем. В частности, это возможность формирования материалов сложной архитектуры (волоконной, ламинарно-структурированной, градиентной) в едином технологическом цикле, высокая изоморфная емкость для легирования функциональных ионов (ввиду исключения формирования жидкой фазы в процессе синтеза керамического твердого раствора), высокие механические характеристики (вследствие существенного вклада состояний межзеренных границ) и теплопроводность (в частности, для лазерных керамик Y3Al5O12:RE3+ k=10÷13 Вт/м∙K), что обеспечивает возможность масштабирования мощности лазерного излучения [1]. Создаваемые керамические лазерные элементы сложной архитектуры позволят десятикратно (в сравнении с монослойными) снизить термическое напряжение и предотвратить приведенное двойное лучепреломление. Кроме того, возможность управления профилем распределения активатора и создания многослойных структур позволят повысить эффективность накачки активного элемента и контролировать пространственную моду лазерного излучения [2].
Настоящий проект направлен на производство инновационным методом совместного реакционного вакуумного спекания промышленно значимых материалов в форме комбинированных керамик на основе иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 / Y3Al5O12:RE3+ / Y3Al5O12 (RE=Nd, Yb, Er). В частности, микролазеры с диодной накачкой на основе данных материалов благодаря короткой длительности импульсов генерации, высокой пиковой мощности и хорошему качеству пучка в сочетании с малыми размерами являются перспективными для ряда практических применений (дальнометрия, микрообработка материалов, микрохирургия, телекоммуникации, космическая техника, и прочее) [2]. Нескольким научным группам из США (Naval Research Laboratory, Army Research Laboratory, Raytheon Co., Lawrence Livermore National Laboratory, VLOC Incorporated, Stanford University, Pennsylvania State University), Китая (Shanghai Institute of Ceramics) и Европы (Centre Europeen de la Ceramique, France) удалось достичь существенного прогресса в разработке новых твердотельных лазеров с активными средами на основе монослойных лазерных керамик со структурой граната Y3Al5O12:RE3+ [3]. Однако, несмотря на данные достижения, реализация лазеров с принципиально новой архитектурой активных сред (комбинированной) только набирает обороты. Существующие сообщения о получении комбинированных керамик свидетельствуют о том, что оптическое качество полученных образцов значительно уступает аналогичной однородно легированной (монослойной) керамике [4-5]. Т.е, проведенные в этом направлении исследования не позволяют раскрыть механизмы формирования беспористых керамик, их композиционной однородности, и требует фундаментальных исследований по оптимизации лазерных свойств комбинированных керамик путем инжиниринга керамического процесса. Ключевые технологические проблемы, решение которых необходимо для обеспечения дальнейшего прогресса, это повышение оптической однородности керамик, снижение оптических потерь на поглощение и рассеивание света, удаление дефектов на межфазном интерфейсе, и увеличение порога разрушения.
Предлагаемый в Проекте инновационный метод совместного реакционного вакуумного спекания в рамках керамической технологии обеспечивает формирование комбинированной структуры уже на этапе компактирования исходных оксидных порошковых систем 3Y2O3–хRE2O3–5Al2O3 и 3-хY2O3–хRE2O3–5Al2O3 (RE=Nd, Yb, Er). Возможность управления параметрами мезоструктуры компактов (средний размер и распределение пор и поровых каналов по размерам, содержание "больших" пор (>0.5 от среднего размера частиц)), посредством применения разноразмерных порошковых систем с контролируемым параметром несоразмерности R (D(Al2O3) / D (Y2O3, RE2O3)) позволит определить индикаторы успешного “однородного” уплотнения в условиях термических диффузионно-лимитированных взаимодействий. Должное использование данных преимуществ обеспечит решение ключевой фундаментальной проблемы получения комбинированных керамических сред лазерного качества − согласования фазообразования и спекания различных по структурно-фазовому состоянию керамических слоев. Обобщая научный задел Руководителя в рамках синергетического подхода к спеканию [6-8], установление взаимосвязей и количественных отношений между параметрами исходных нанопорошков, условиями их спекания, микроструктурой и оптическими свойствами лазерных керамик; исследование эволюции дефектов, образующихся на различных стадиях процесса, и отработка режимов управления степенью дефектности керамики позволят создать прорывную отечественную технологию изготовления керамических активных сред для эффективных лазерных систем будущих поколений.
Цель проекта: разработка физико-технологических основ создания комбинированных лазерных керамик на основе иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 / Y3Al5O12:RE3+ / Y3Al5O12 (RE=Nd, Yb, Er), исследование свойств и аттестация функциональных характеристик полученного материала. В ходе выполнения проекта путем инжиниринга керамического процесса будут созданы комбинированные керамики Y3Al5O12 / Y3Al5O12:RE3+ / Y3Al5O12 (RE=Nd, Yb, Er) с идеальной структурой интерфейса, имеющие эквивалентные характеристики теплопроводности, механической прочности и оптического пропускания, в сравнении с монослойными образцами. Основным критерием оптического качества керамик будет выступать эффективность их лазерной генерации. Ожидается, что полученные комбинированные керамики Y3Al5O12 / Y3Al5O12:RE3+ / Y3Al5O12 (RE=Nd, Yb, Er) будут иметь средний размер зерна 5÷20 мкм, относительную плотность 99.999-99.9999%, остаточную пористость 10^-4 - 10^-5 об.%, толщину межзеренных границ 1-2 нм, прочность на изгиб 350÷400 МПa, твердость по Виккерсу 1500÷1550 HV, термостойкость 1300÷1550 Вт/м, и коэффициент оптических потерь не выше 0.002 см^-1. При диодной накачке будет получена максимальная средняя мощность лазерной генерации керамик более 1 Вт с оптико-оптической эффективностью не ниже 60%.
[1] A. Ikesue, Y.L. Aung. Ceramic laser materials // Nat. Photon. – 2008. – V. 2. – P. 721–727.
[2] M. Tsunekane, N. Taguchi, H. Inaba. Reduction of thermal effects in a diode-end-pumped, composite Nd:YAG rod with a sapphire end // Appl. Optics. – 1998. – V. 37. – P. 3290−3294.
[3] A. Ikesue, Y.L. Aung, V. Lupei. Ceramic Lasers // Cambridge University Press, 2013. – 455 pp.
[4] L. Ge, J. Li, H. Qu, et al. Densification behavior, doping profile and planar waveguide laser performance of the tape casting YAG/Nd:YAG/YAG ceramics // Opt. Mater. – 2016. – V. 60. – P. 221-229.
[5] Y. Zhao, Q. Liu, L. Ge, et al. Tape casting fabrication and properties of planar waveguide YAG/Yb:YAG/YAG transparent ceramics // Opt. Mater. – 2017. – V. 69. – P. 169-174.
[6] D.Yu. Kosyanov, V.N. Baumer, R.P. Yavetskiy, et al. Nd3+:Y3Al5O12 laser ceramics: influence of the size of yttrium oxide particles on sintering // Crystallogr. Rep. – 2015. – V. 60. – P. 299–305.
[7] D.Yu. Kosyanov, R.P. Yavetskiy, V.N. Baumer, et al. Effect of Nd3+ ions on phase transformations and microstructure of 0-4 at.% Nd3+:Y3Al5O12 transparent ceramics // J. Alloys Compd. – 2016. – V. 686. – P. 526-532.
[8] I.O. Vorona, R.P. Yavetskiy, A.G. Doroshenko, et al. Reactive sintering of highly-doped YAG/Nd3+:YAG/YAG composite ceramics // PAC. – 2017. – V. 11. – P. 290-295.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ