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Ceramici trasparenti
Materiali ceramici policristallini a base di ossidi
Responsabili: Valentina Biasini, Laura Esposito, Jan Hostaša
Personale coinvolto: Andreana Piancastelli, Francesco Picelli, Rakesh Pandey
Progettazione e produzione a scala di laboratorio di ceramici policristallini otticamente trasparenti.
Grazie alla elevata temperatura di fusione e stabilità chimico-fisica e alle buone performance meccaniche, questi materiali sono proposti come dispositivi ottici per applicazioni ad alta temperatura ed in ambienti estremi: sorgenti laser allo stato solido, finestre elettromagnetiche, applicazioni balistiche.
I ceramici policristallini trasparenti hanno prestazioni termo-meccaniche molto più elevate dei vetri e vetro-ceramici e costituiscono una soluzione alternativa rispetto ai cristalli singoli generalmente prodotti attraverso il metodo Czochralski, lungo e costoso e con basse rese di produzione.
Il processo produttivo dei ceramici trasparenti consente invece di ottenere vantaggi economici e produrre anche su larga scala. Grazie alla varietà di tecniche di formatura disponibili, esso permette inoltre di ottenere con facilità forme e geometrie complesse senza il bisogno di costose e lunghe lavorazioni meccaniche.
La trasparenza viene ottenuta mediante l’attenta progettazione ed il controllo del processo ceramico fino alla completa eliminazione della porosità residua, delle impurezze e delle fasi secondarie. Tutti questi aspetti devono essere gestiti con precisione al fine di evitare la formazione di centri di scattering che porterebbero a fenomeni di diffrazione della luce incidente e quindi ad una diminuzione della trasparenza del materiale.
Mediante l’aggiunta controllata di ioni appropriati questi materiali assorbono, emettono o trasmettono la luce a diverse lunghezze d’onda e possono essere utilizzati nei laser a stato solido, nelle finestre IR, come LED, nella rilevazione di radiazioni e particelle e per applicazioni in ottica e fotonica (rivelatori, scintillatori, guide d’onda, convertitori di luce). Variando il tipo e le quantità dei droganti, realizzando campioni con architetture complesse, stratificate o coassiali, con distribuzione controllata dei droganti, a gradiente composizionale o a drogaggio misto, è possibile ottenere proprietà e prestazioni mirate per le specifiche applicazioni.
Il successo di questo approccio è stato dimostrato per una varietà di materiali a struttura cristallina cubica che sono stati prodotti in forma di ceramici policristallini trasparenti con qualità e proprietà equivalenti a quelli dei monocristalli. Il gruppo di ricerca possiede un know-how consolidato nella produzione a scala di laboratorio di:
- YAG (Y3Al5O12) drogato con ioni di terre rare (Yb, Nd, Cr, Ho, Er, ecc.)
- MgAl2O4 spinello per finestre antiproiettile
- Lu2O3 and Sc2O3 drogato with Yb3+
Strumenti e Processi
- Apparecchiature per il trattamento polveri: giragiarre, mulino planetario, ecc.
- Atomizzatore (Mini Spray Dryer B-290, Büchi, Switzerland)
- Apparecchiatura per il colaggio su nastro
- Sistemi per la de-areazione delle sospensioni
- Apparecchiatura per la termocompressione
- Pressa lineare
- Pressa isostatica a freddo
- Forni per sinterizzazione in aria, argon e argon + idrogeno
- Forno in alto vuoto in atmosfera pulita con camera e elementi riscaldanti in Mo e W (Crystal, LPA Industries, France)
- Pressa lineare a caldo
- Apparecchiature per il taglio e la lucidatura superficiale
- Microscopi ottici e elettronici a scansione di energia
- Spectrofotometro
Principali collaborazioni
- INO CNR Istituto di Ottica, Arcetri, Firenze, Sesto Fiorentino
- Israel Ceramic Silicate Institute, Haifa, Israele
- University of Chemistry and Technology, Prague, Repubblica Ceca
- CREOL – The College of Optics and Photonics, University of Central Florida, United States of America
- MATEIS, INSA of Lyon, France
- Università di Parma
Progetti
Pubblicazioni e brevetti
- J. Hostaša, F. Picelli, S. Hříbalová, V. Nečina, Sintering aids, their role and behaviour in the production of transparent ceramics, Open Ceramics 7 (2021) 100137.
- J. Hostaša, M. Schwentenwein, G. Toci, L. Esposito, D. Brouczek, A. Piancastelli, A. Pirri, B. Patrizi, M. Vannini, V. Biasini, Transparent laser ceramics by stereolithography, Scripta Materialia 187 (2020) 194-196.
- G. Toci, J. Hostaša, B. Patrizi, V. Biasini, A. Pirri, A. Piancastelli, M. Vannini.: Fabrication and laser performances of Yb:Sc2O3 transparent ceramics from different combination of vacuum sintering and hot isostatic pressing conditions. Journal of the European Ceramic Society 40 (2020) 881-886.
- J. Hostaša, F. Cova, A. Piancastelli, M. Fasoli, C. Zanelli, A. Vedda, V. Biasini.: Fabrication and luminescence of Ce-doped GGAG transparent ceramics, effect of sintering parameters and additives. Ceramics International 45 (2019) 23283-23288.
- J. Hostaša, V. Nečina, T. Uhlířová, V. Biasini.: Effect of rare earth ions doping on the thermal properties of YAG transparent ceramics. Journal of the European Ceramic Society 39 (2019) 53-58.
- A. Lapucci, M. Vannini, M. Ciofini, A. Pirri, M. Nikl, J. Li, L. Esposito, V. Biasini, J. Hostaša, T. Goto, G. Boulon, R. N. Maksimov, L. Gizzi, L. Labate, G. Toci.: Design and characterization of Yb and Nd doped transparent ceramics for high power laser applications: recent advancements. SPIE Proceedings 10254 (2017) 102540E-1.
- J. Hostaša, A. Piancastelli, G. Toci, M. Vannini, V. Biasini.: Transparent layered YAG ceramics with structured Yb doping produced via tape casting. Optical Materials 65 (2017) 21-27.
- J. Hostaša, V. Biasini, A. Piancastelli, M. Vannini, G. Toci.: Layered Yb:YAG ceramics produced by two different methods: processing, characterization, and comparison. Optical Engineering 55 (2016) 087104.
- L. Esposito, A. Piancastelli, P. Miceli, S. Martelli.: A thermodynamic approach to obtaining transparent spinel (MgAl2O4) by hot pressing. Journal of the European Ceramic Society 35, 651-661 (2015).
- L. Esposito, J. Hostaša, A. Piancastelli, G. Toci, D. Alderighi, M. Vannini, T. Epicier, A. Malchère, G. Alombert-Goget, G. Boulon.: Multilayered YAG-Yb:YAG ceramics: manufacture and laser performance. Journal of Materials Chemistry C 2 10138-10148 (2014).
- W. Pabst, J. Hostaša, L. Esposito.: Porosity and pore size dependence of the real in-line transmission of YAG and alumina ceramics. Journal of the European Ceramic Society 34 2745-2756 (2014).
- E. Cavalli, L. Esposito, J. Hostaša, M. Pedroni.: Synthesis and optical spectroscopy of transparent YAG ceramics activated with Er3+. Journal of the European Ceramic Society 33 1425-1434 (2013).
- L. Esposito, A. Piancastelli, S. Martelli.: Production and characterization of transparent MgAl2O4 prepared by hot pressing. Journal of the European Ceramic Society 33, 737-747 (2013).
- J. Hostaša, L. Esposito, D. Alderighi, A. Pirri.: Preparation and characterization of Yb-doped YAG ceramics. Optical Materials 35 798-803 (2013).
- T. Epicier, G. Boulon, W. Zhao, M. Guzik, B. Jiang, A. Ikesue, L. Esposito.: Spatial distribution of the Yb3+ rare earth ions in Y3Al5O12 and Y2O3 optical ceramics as analyzed by TEM. Journal of Materials Chemistry 22, 18221-18229 (2012).