CN100469735C - 一种无团聚掺杂钇铝石榴石纳米粉体的制备方法 - Google Patents
一种无团聚掺杂钇铝石榴石纳米粉体的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种无团聚掺杂钇铝石榴石(YAG)纳米粉体的制备方法,属于精细化工领域。本发明的主要特征是以钇,铝和掺杂稀土离子的硝酸盐水溶液为原料,以碳酸氢铵为沉淀剂,沉淀过滤、干燥,在900-1300℃之间煅烧,可获得平均粒径尺寸30纳米的无团聚,无杂相的掺杂钇铝石榴石粉体。该方法突出特点是:原料采用无机盐,不必加表面活性剂,不必真空干燥或冷冻干燥,可得到无团聚,无杂相,高纯度,粒径分布窄的掺杂钇铝石榴石纳米粉体。该方法制备的粉体质量好,工艺简单稳定,生产成本低,易实现大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于精细化工领域,尤其是涉及掺杂钇铝石榴石纳米粉体的制备方法。
背景技术
钇铝石榴石(YAG)晶体是一种性能优良的激光介质材料,生长YAG晶体需要特殊设备和复杂工艺,晶体尺寸有限;同时由于分凝作用,掺杂激活离子-稀土离子的浓度不能太大,影响激光转换效率的提高。多晶透明陶瓷成本较低,容易制备大尺寸块材和高浓度掺杂离子,因而透明YAG陶瓷成为YAG晶体的很有潜力的取代物。制备透明掺杂YAG陶瓷需要高质量的掺杂YAG粉体,即粉体纯度高、粒径小、粒径分布窄、无团聚。这样有利于降低气孔率,提高陶瓷的致密度与光学性能。YAG除了广泛用作激光材料,还具有优异的高温抗蠕变性能,是一种非常有前途的高温结构陶瓷材料。
国内外制备YAG粉体的方法主要有混合煅烧法、水热法、溶胶凝胶法、沉淀法等。但缺少一种适合大规模生产的方法。如混合煅烧法是把Y2O3和Al2O3按比例混合,在1800℃煅烧才获得YAG粉体,其颗粒大且团聚严重。水热法产量低且纯度差。溶胶-凝胶法多采用醇盐作原料,或采用柠檬酸作胶凝剂,成本较高,不适合大规模生产。沉淀法是较早用来制备YAG粉体的方法,其优点是成本低,但粉体团聚严重,一般采用氨水作沉淀剂或尿素作共沉淀剂,并常添加表面活性剂、真空干燥或冷冻干燥克服团聚问题。也有采用碳酸氢铵作为沉淀剂,但没有引入硫酸铵作为助剂,效果不太理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种大规模生产无团聚、无杂相的掺杂YAG纳米粉体的方法。本发明采用如下技术方案:
1、本发明制备的粉体组成式为Y3-XReXAl5O12,Re为掺杂稀土元素,将掺杂稀土离子的无机盐水溶液和钇、铝离子的无机盐水溶液混合,生成沉淀。
钇、铝和掺杂稀土离子选用各自的分析纯无机盐,钇的无机盐可用99.99%的Y2O3溶于浓HNO3中而制得。不选用盐酸盐,可避免其氯离子增加粉体的团聚。这三种离子的无机盐水溶液的金属离子摩尔比为3-X:5:X(0≤X≤1),钇、铝和掺杂稀土离子的浓度为0.5—0.005mol/L。上述三种离子的无机盐水溶液的浓度应控制在一定范围,浓度过高粉体容易产生团聚,浓度过低产率低。
前述掺杂稀土离子、钇和铝离子的无机盐水溶液优选硝酸盐水溶液。
不加任何助剂也能得到纳米尺度粉体,但添加硫酸铵可以提高沉淀分散性,减小粉体粒径。添加量约为钇离子摩尔量的0-20%。
2、沉淀过程中pH值控制在5-9,并搅拌,保证稀土离子和铝离子沉淀完全。沉淀剂采用碳酸氢铵水溶液,浓度为0.5—0.005mol/L。
3、沉淀的抽滤:抽滤过程中先用去离子水洗涤,是为了除去杂质,如氯离子等,氯离子会增加粉体的团聚,水洗后用有机溶剂洗涤,是为了减少吸附的氢氧根离子,氢氧根离子会增加粉体的团聚。本发明选用无水乙醇作有机溶剂洗剂。
4、干燥:干燥的目的是为了除去沉淀吸附的水分和有机溶剂,在普通烘箱中温度100-120℃干燥2-6小时。
5、煅烧:煅烧是为了把生成碳酸盐和类碳酸盐沉淀转变成氧化物,热处理温度过低,YAG相转变不完全,产生杂相,热处理温度过高,YAG晶粒生长,颗粒尺度变大,因此热处理温度控制在900-1300℃,时间控制在2-6小时。
用本发明提供的方法,制备的无团聚掺杂钇铝石榴石纳米粉体的粒径为20-100纳米。
图1是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的粉末X-射线衍射图,和下面YAG晶体模拟的粉末X-射线衍射图相比,所有特征峰均为Y3Al5O12相,未出现Y4Al2O9和YAlO3等其它杂相;图2是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的电子衍射照片,衍射点清晰,表明YAG相晶型完整;图3是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的透射电子显微镜照片,基本上无团聚。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:制备工艺简单,对设备要求低,工艺参数易控制,不必真空干燥;原料均为硝酸盐,成本低,与盐酸盐原料相比,减少了粉体团聚的程度;粉体的纯度高,粒径小,无团聚;掺杂稀土离子容易,效果好。
附图说明
图1是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体和YAG晶体模拟的粉末X-射线衍射图的比较,其中上图谱为测量的掺钕YAG粉体的粉末X-射线衍射图,下图谱为YAG晶体模拟的粉末X-射线衍射图。
图2是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的电子衍射照片。
图3是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
实例1:
把Y(NO3)3和Al(NO3)3分别溶于蒸馏水中,钇和铝离子的浓度分别为0.3mol/L和0.5mol/L,把这两种溶液按金属离子摩尔比为3:5混合,搅拌下,滴加入过量的碳酸氢铵溶液中(浓度为0.5mol/L),完毕后得胶状沉淀,pH值为8左右。抽滤,蒸馏水洗2次,无水乙醇洗2次,在110℃干燥4小时,研磨,过筛,然后放在高温炉中,1200℃煅烧4小时,获得纯YAG粉体的平均粒径为50纳米。
实例2:
把Y(NO3)3,Nd(NO3)3和Al(NO3)3分别溶于蒸馏水中,钇、钕和铝离子的浓度分别为0.3mol/L,0.1mol/L和0.5mol/L,把这三种溶液按金属离子摩尔比为2.9:0.1:5.0混合,搅拌下,滴加入过量的碳酸氢铵溶液中(浓度为0.5mol/L),完毕后得胶状沉淀,pH值为8左右。抽滤,蒸馏水洗2次,无水乙醇洗2次,在110℃干燥4小时,研磨,过筛,然后放在高温炉中,1200℃煅烧4小时,获得掺钕YAG粉体的平均粒径为50纳米。X射线荧光分析(XRF)表明粉体中钇与钕元素的摩尔浓度比(atom%)Y:Nd约为30:1。
实例3:
把Y(NO3)3,Nd(NO3)3和Al(NO3)3分别溶于蒸馏水中,钇、钕和铝离子的浓度分别为0.3mol/L,0.1mol/L和0.5mol/L,把这三种溶液按金属离子摩尔比为2.9:0.1:5.0混合,并加入0.1mol/L硫酸铵溶液(添加量约为钇离子摩尔量的10%),搅拌下,滴加入过量的碳酸氢铵溶液中(浓度为0.5mol/L),完毕后得胶状沉淀,pH值为8左右。抽滤,蒸馏水洗2次,无水乙醇洗2次,在110℃干燥4小时,研磨,过筛,然后放在高温炉中,1200℃煅烧4小时,获得掺钕YAG粉体的平均粒径为30纳米。X射线荧光分析(XRF)表明粉体中钇与钕元素的摩尔浓度比(atom%)Y:Nd约为30:1。
Claims (2)
1、一种无团聚掺杂钇铝石榴石纳米粉体的制备方法,它包括沉淀、抽滤、干燥、煅烧过程,沉淀过程伴随搅拌,控制pH值为5-9,沉淀剂采用碳酸氢铵水溶液,浓度为0.5—0.005mol/L,其特征在于:掺杂钇铝石榴石的组成式为Y3-XReXAl5O12,Re为掺杂稀土元素,选用钇、铝和掺杂稀土离子各自相应的硝酸盐水溶液为原料,这三种硝酸盐水溶液的金属离子摩尔比为3-X:5:X,0≤X≤1。
2、如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的沉淀过程采用硫酸铵作为助剂,添加量为钇离子摩尔量的0-20%。
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共沉淀法制备钇铝石榴石纳米粉体. 李江.硅酸盐学报,第31卷第5期. 2000 |
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