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釔鋁石榴石（YAG）具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)、熱性能以及高溫穩定性，稀土摻雜YAG透明材料是目前性能最好、用途最廣、產(chǎn)量最大的固體激光器用增益介質(zhì)材料，對我國國防科技具有重要戰略意義，并在輻射探測閃爍體、LED等諸多領(lǐng)域有重要應用。目前，YAG透明材料以單晶和透明陶瓷為主，前者主要采用定向凝固技術(shù)來(lái)制備，存在晶體生長(cháng)周期長(cháng)、成本昂貴、尺寸和摻雜濃度難以提高等問(wèn)題。YAG透明陶瓷主要采用粉末燒結制備方法，要達到高透明度，需要充分排除陶瓷中的氣孔和雜質(zhì)相，完全致密且晶界極薄，對原料、設備、成型和燒結工藝有極其苛刻的要求，比如需要高純、高分散性的納米粉體原料、熱等靜壓和真空燒結等，晶粒在長(cháng)時(shí)間高溫燒結過(guò)程中容易長(cháng)大。

中國科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員李建強帶領(lǐng)的團隊提出利用凝固-非晶晶化方法制備YAG透明陶瓷的創(chuàng )新思想，并開(kāi)展了系統研究。首先，針對YAG成分的熔體非晶形成能力差的問(wèn)題，采用無(wú)容器凝固技術(shù)抑制熔體深過(guò)冷狀態(tài)下的形核，獲得了冷卻速度對熔體凝固產(chǎn)物物相與結構的影響規律，進(jìn)而通過(guò)調整Al2O3/Y2O3配比強化了Al2O3-Y2O3熔體的非晶形成能力，成功制備出完全非晶態(tài)、成分分布均勻的Al2O3-26mol%Y2O3塊狀非晶。進(jìn)一步，與法國國家科學(xué)中心（CNRS）研究員Mathieu Allix合作研究了非晶基質(zhì)無(wú)壓條件下晶化行為，獲得了晶化溫度、時(shí)間對產(chǎn)物物相與微觀(guān)結構的影響規律，最終實(shí)現了通過(guò)簡(jiǎn)單熱處理（～1100℃）一步得到完全晶化的YAG基透明陶瓷。獲得的YAG基透明陶瓷完全由納米晶組成，YAG相質(zhì)量分數高達77%，其余為Al2O3相，化學(xué)成分和微觀(guān)結構分布高度均勻。發(fā)現該納米復相結構中YAG晶粒周?chē)腁l2O3少數相具有很好的緩解晶化收縮應力和抑制YAG晶粒長(cháng)大的作用，YAG晶粒加熱至1400℃晶粒仍能保持納米級。YAG基透明陶瓷具有極高的透過(guò)率，在近紅外和中紅外波段可與YAG單晶媲美，硬度比YAG單晶和透明陶瓷高10%，Ce摻雜后熒光性能優(yōu)異，量子效率高達87.5%（如圖）。優(yōu)異的光學(xué)和力學(xué)綜合性能使得該新型納米晶YAG基透明陶瓷在大功率LED、LD等領(lǐng)域具有重要的應用潛力。

這種透明陶瓷的新制備方法能很好地結合凝固和非晶晶化方法的優(yōu)勢。一方面，凝固制備塊狀非晶基質(zhì)不僅快速、可成型復雜形狀和多種尺寸，而且使用普通的原料粉末即可，避免傳統粉末燒結法對高質(zhì)量粉末的依賴(lài)。另一方面，非晶晶化過(guò)程具有條件溫和、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)物均勻、摻雜濃度高、晶粒尺寸容易控制等特點(diǎn)。相關(guān)成果于3月21日發(fā)表在《自然-通訊》（Pressureless glass crystallization of transparent yttrium aluminum garnet-based nanoceramics, Nature Communications, 9, 1175 (2018), DOI:10.1038/s41467-018-03467-7）上。李建強和Mathieu Allix為共同通訊作者，過(guò)程工程所博士馬曉光和副研究員李曉禹為共同第一作者。該研究得到了國家自然基金(Grant Nos. 51471158, 51674232等)，北京市自然基金(No.2152032)和中科院“國際人才計劃”(Grant No. 2017VEA0010)等項目的支持，并已申請國際專(zhuān)利（PCT/CN2018/078307）。

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