Cerâmica transparente de Y2O3 obtida por sinterização rápida em forno de radio frequência sob atmosfera de vácuo dinâmico Translated title: Transparent Y2O3 ceramics obtained by rapid sintering in a radio-frequency furnace under dynamic vacuum

Abstract

Monocristais de ítria (Y2O3) são importantes materiais hospedeiros para lasers. Entretanto, seu elevado ponto de fusão (2450 ºC) dificulta o processo de crescimento de monocristais. Uma alternativa para a obtenção de ítria policristalina com propriedades similares às dos monocristais é a fabricação de cerâmicas transparentes. Desta forma, este trabalho teve o propósito de desenvolver uma metodologia para fabricar cerâmicas transparentes de ítria, utilizando-se um forno de indução eletromagnética que permite o uso controlado de atmosferas inertes ou redutoras e pode atingir temperaturas próximas a 2000 ºC, com taxas de aquecimento maiores que 100 ºC/min. Os pós-precursores foram preparados por meio de reação do estado sólido usando 3% em mol de ZrO2 como aditivo. As amostras foram conformadas em discos com 12 mm de diâmetro e 1 mm de espessura sob uma pressão uniaxial de 50 MPa e isostática de 350 MPa. Em seguida, foram sinterizadas a 1800 e 1900 ºC com tempos de sinterização de 1 e 5 h. Difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura foram usadas na caracterização estrutural e microestrutural das amostras e sua transmissividade ótica foi medida por meio de espectrofotometria. Através da sinterização em forno de indução foi possível obter cerâmicas com até 60 % de transmissão em linha na região de 800 nm em tempos de sinterização menores que os descritos na literatura.

Translated abstract

Yttria single crystals (Y2O3) are important host materials for lasers. However, it high melting point (2450 ºC) is an experimental barrier for bulk crystal growth. Our main focus here was to study the influence of the sintering temperature and soaking time on the optical quality of the yttria ceramics due to the possibility to manufacture large pieces. The sintering process was performed in a radio-frequency furnace under dynamic vacuum. The heating system was efficient to reach temperatures up to 2000 ºC with heating rate higher than 100 ºC/min. The ceramics were prepared by solid state reaction using ZrO2 as additive. The maximum temperatures used in all experiments were from 1800 to 1900 ºC and soaking time kept between 1 h and 5 h. The optical transmission was measured in the visible-near infrared wavelengths interval and compared to the single crystalline fiber of the same composition, grown by the Laser-Heated Pedestal Growth (LHPG) technique in our labs. X-ray diffraction showed only yttria as single crystalline phase. Thus, all zirconia (up 3 mol%) was incorporated in the ceramic. Yttria transparent ceramics were fabricated with relative optical transparency when compared to single crystal. At 800 nm yttria transparent ceramics showed 60% of in-line optical transmission, what permit to be used in other optical applications, but is not sufficient as laser host material yet. However, our results are similar or better when compared to the literature and our experiments can be performed at a higher heating rate.