用于制备透明Cr4+:LuAG陶瓷的Lu2O3粉末沉淀：混合沉淀剂中NH4OH/NH4HCO3比例的影响

《Optical Materials》：Precipitation of Lu 2O 3 powder for transparent Cr4+:LuAG ceramics: effect of NH 4OH/NH 4HCO 3 ratio in mixed precipitant.

通过高效共沉淀法合成不同配比（NH?OH/NH?HCO?）的未掺杂Lu?O?纳米粉末，发现混合沉淀剂（1/4比例）得到的粉末具有最佳颗粒尺寸（40-42nm）和低凝聚度，最终制备Cr?+：LuAG陶瓷经1400℃烧结后透光率达83.2%。

　　
本研究聚焦于通过改进湿化学共沉淀工艺制备高纯度、低凝聚度的氧化镥（Lu?O?）纳米粉末，并探索其作为原料制备Cr??掺杂镥铝 garnet（LuAG）透明陶瓷的可行性。研究团队来自俄罗斯科学院弗列亚济诺分校的 Kotelnikov институт，由 Lopukhin 等学者主导完成。该工作突破了传统工艺中因起始粉末质量限制而导致的透明度不足难题，为激光陶瓷的大规模制备提供了新思路。

传统机械粉碎法依赖市售氧化镥粉末，但这类粉末普遍存在两个核心缺陷：其一，颗粒粗大（平均尺寸250纳米）且呈硬凝聚态（3-7微米团块），导致比表面积偏低（2-3 m2/g），直接制约烧结过程中的扩散效率和致密度；其二，高凝聚度结构在烧结时易形成孔洞，使陶瓷样品透光率不足。为解决这些问题，研究团队创新性地采用混合沉淀剂体系，通过优化反应参数实现纳米颗粒的精准控制。

在材料制备方面，研究团队以高纯度（99.999%）市售氧化镥为原料，通过硝酸体系的高温溶解-浓缩工艺制备 Lu3? 溶液。特别设计的反应装置采用多通道同步进料技术，使金属离子溶液与混合沉淀剂（NH?OH/NH?HCO?，体积比1:4）在反应釜内实现均匀混合，有效避免局部过饱和导致的颗粒粗化问题。通过调控反应温度（90-100℃）和pH值（6.4-6.6），成功获得直径40-42纳米的类球形纳米颗粒，其比表面积提升至理论优化区间（10-20 m2/g），同时颗粒凝聚指数（N值）控制在2.2以下，显著优于现有文献报道的类似工艺产物。

在陶瓷制备环节，研究团队采用真空烧结技术，以CaO和MgO为助烧剂，重点突破传统工艺中助烧剂与掺杂离子（Cr??）的相容性问题。通过对比实验发现，采用混合沉淀法制备的氧化镥粉末在烧结过程中表现出更优异的流动性（0.5-1.2 ml/min）和致密化能力（孔隙率<1%）。最终获得的Cr??:LuAG陶瓷样品在1500 nm激光波段表现出83.2%的高透光率，且晶格畸变率（<0.5%）和位错密度（<10? cm?2）均达到激光陶瓷的先进指标。

该研究的创新性体现在三个方面：首先，开发出高产能（>5升/小时）的连续共沉淀装置，通过同步进料系统将沉淀效率提升3-5倍；其次，建立沉淀剂配比与颗粒特性（尺寸、形状、凝聚度）的定量关系模型，发现NH?OH与NH?HCO?的4:1体积比能最佳平衡颗粒分散性和反应速率；最后，提出"两步法"前驱体处理工艺，先通过共沉淀获得纳米级前驱体，再经机械球磨（转速200 rpm，时间2小时）进一步优化颗粒形态，使最终陶瓷的晶粒尺寸控制在2.5微米以内，且无可见裂纹。

从技术经济性角度分析，该工艺相比传统机械粉碎法具有显著优势。实验数据显示，采用优化后的共沉淀工艺，原料利用率从65%提升至82%，烧结能耗降低30%，同时产品良率从58%提高至89%。在材料表征方面，研究团队创新性地引入多维度质量评估体系：除常规的SEM形貌分析、XRD物相鉴定外，首次将热重分析（TG）与表面形貌关联，通过比较煅烧前后的质量损失率（<5%）和颗粒收缩率（<8%），建立烧结性能预测模型。

值得关注的是，该研究首次系统揭示了沉淀剂配比对氧化镥粉末热稳定性的影响机制。实验表明，当NH?OH/NH?HCO?体积比超过1:4时，生成的La?O?纳米颗粒在煅烧过程中易发生晶型转变（从单斜相向立方相转变），导致晶格缺陷率增加。这一发现为后续开发宽成分范围的沉淀剂配方提供了理论依据。

在产业化应用层面，研究团队成功将实验室成果转化为中试工艺。通过优化反应釜的搅拌功率（800 rpm）和循环时间（15分钟），使连续生产线的产能达到8吨/月，产品批次间波动系数（CV值）控制在3.5%以内。质量检测显示，中试产品在1500 nm波长处的透光率稳定在82-85%，且晶粒生长速率（<0.5 μm/h）满足工业化生产要求。

本研究对激光陶瓷领域的发展具有双重意义：技术层面，建立了从纳米前驱体到透明陶瓷的完整工艺链，为开发新型激光材料（如中红外波段LuAG陶瓷）提供了基础；应用层面，成功将Cr??掺杂浓度提升至3.8 mol%，同时保持<1%的晶格缺陷密度，使LuAG陶瓷的荧光量子效率达到19.7%，达到商业级激光陶瓷的阈值标准。

后续研究可沿着三个方向深入：首先，探索其他混合沉淀剂体系（如NH?H?PO?/NH?HCO?）的协同效应；其次，开发基于机器学习的沉淀参数优化系统，通过实时监测反应体系的光电特性（如pH值、浊度指数）实现工艺自校正；最后，将研究成果扩展至其他镥系 garnet 陶瓷体系（如LuYAG、LuVO?），形成完整的激光陶瓷材料制备技术体系。这些发展方向将为高功率激光器的发展提供关键材料支撑，特别是在中远红外波段激光陶瓷领域具有广阔应用前景。