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2025
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05
行业新知丨DIW精细直写打印Nd:YAG透明复合陶瓷
作者：
可设计增益分布的3D打印透明复相陶瓷在固体激光器中的应用日益受到人们的关注。但由于种种原因，直接墨水写入（DIW）制备的透明复相陶瓷的光学质量较差，限制了其实现高功率激光输出。近日，中国科学院上海硅酸盐研究所张健教授、江南大学刘禹教授带领团队在《Ceramics International》发表了题为《3D printing of Nd: YAG transparent composite ceramics》的研究，他们对Nd：YAG透明复相陶瓷的整个制备工艺进行了系统的研究，包括具有双材料切换能力的DIW、真空烧结和热等静压（HIP）工艺。
原文链接： https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.03.430
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研究内容
本研究对Nd：YAG透明复相陶瓷的整个制备工艺进行了系统的研究，包括具有双材料切换能力的DIW、真空烧结和热等静压（HIP）工艺。首先，通过调节分散剂和增稠剂的含量，配制出具有良好打印适性和高固含量的陶瓷浆料。研究了未掺杂YAG和Nd：YAG陶瓷的烧结行为，以提高透明复相陶瓷的光学质量。
以下是文章的研究方法及数据：
图1，混合（a）YAG 和（b）0.3 at. % Nd: YAG 粉末的 SEM 显微照片和能量色散光谱。
△图2，( a) 自制3D打印机照片；(b) 打印路径；(c) 直接墨水书写制备的透明复合陶瓷坯体示意图。
△图3，激光实验装置示意图。
△图4，( a) 分散剂含量对浆料粘度的影响；(b) 振幅扫描曲线；(c) 添加不同HEC 含量的浆料的ORO曲线；(d) 垂直和水平复合陶瓷生坯照片。
△图 5.样品台上（a）垂直复合材料和（b）水平复合材料生坯的照片，以及（b）、（c）垂直复合材料和（c）、（d）水平复合材料生坯断裂表面的SEM显微照片。
△图6，不同真空预烧温度下YAG和Nd：YAG陶瓷6h的相对密度与显气孔率。
△图7，3mm厚抛光（a）未掺杂的YAG和（b）Nd：YAG透明陶瓷在不同真空预烧结温度下以及1650℃HIP条件下的在线透射曲线。
△图8，4mm厚垂直复合材料和2mm厚水平透明复合陶瓷的(a)外观和(b)直线透过率曲线。
结论
流变学实验结果表明，最佳分散剂含量为0.6 wt %；添加0.5 wt %纤维素可获得具有良好印刷性的陶瓷浆料。结果表明，不同组分层间界面区域无明显缺陷，坯体中颗粒充分密排。为了进一步提高透明复相陶瓷的光学质量，研究了未掺杂YAG和Nd: YAG陶瓷的烧结行为，确定最佳真空预烧温度为1700 °C。经热等静压后退火制备的复合陶瓷在400 nm波长处的直线透过率达到80.1 %以上，在1064 nm波长处的直线透过率高达83.1 %。最后，测试并计算出DIW制备的垂直和水平复合陶瓷的Nd离子扩散距离分别约为50.1 μm和43.5 μm。当吸收泵浦功率为5.70 W时，在1064 nm处获得了2.15 W的最大输出功率，斜率效率为40.2 %。
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