CN101591176A - 一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法，主要步骤：严格按照化学计量比称量Gd2O3和Ga2O3；用稀HNO3溶液溶解Gd2O3，用浓HNO3与浓HCl的混合液溶解Ga2O3；将两组分溶液混合均匀，得到澄清透明的混合溶液；先往混合溶液中滴加氨水，调节pH值为2～4之间，再滴加NH4HCO3，控制反应结束pH值在7～10之间，得到沉淀产物；对该沉淀进行抽滤、洗涤、恒温干燥、煅烧，得到GGG陶瓷纳米晶。本发明工艺简单，纳米粉体合成温度低，节约能源，同时减少对设备的要求；合成的纳米晶近于球形，颗粒细小，纯度高，分散性好，是适于制备GGG透明陶瓷的理想的前驱粉体。本发明赋予GGG透明陶瓷纳米粉体良好的可控制性及批量制备可行性。
Description
技术领域
本发明涉及一种Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的低成本制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术
钆镓石榴石(Gd3Ga5O12，简称GGG)属于等轴晶系，具有立方结构，是目前广泛应用的激光和发光基质材料。GGG微粉可以用于制备大尺寸高功率固体激光工作物质所需的透明陶瓷，从而取代因挥发原因难以制备的单晶材料。目前GGG粉体制备的方法主要有：固相反应合成法、溶胶-凝胶法、化学共沉淀法等。固相反应合成需要较高的反应温度和较长的反应时间，而且球磨混合难以达到化学组成均一，因此固相反应难以制备出均匀、高烧结活性的粉体。溶胶-凝胶法法可以制备出高纯的粉体，但是由于原料昂贵、且粉体中含有较多的有机成分致使陶瓷烧结体透明度下降，故一般很少使用。化学共沉淀法可以达到分子水平的混合，制备粉体工艺简单，同时可以降低粉体合成的煅烧温度以制备出性能优良的粉体。国内有些学者采用此种方法，制备出了Gd3Ga5O12(GGG)纳米粉体。例如赵广军等以氨水作为沉淀剂，同时控制Gd2O3和Ga2O3非化学计量比称量的条件下，于800℃的烧结温度下煅烧15小时，得到了粉体。朴贤卿等以碳酸氢铵做沉淀剂，在1000℃煅烧3小时也得到了粉体。
但是，现有技术制备的GGG透明陶瓷纳米晶粉料煅烧温度较高或保温时间过长，导致纳米晶粒度分布较宽或者颗粒团聚较严重。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的低成本制备方法。该方法操作简单，化学组成均匀性好、纯度高，分散性好，颗粒细小且球形度好，并赋予GGG透明陶瓷纳米粉体具有良好的可控制性及批量制备可行性。
本发明采用氨水和碳酸氢铵溶液作分步沉淀剂，以符合化学计量比的含Gd3+和Ga3+两种盐溶液为母液，在800℃的低温下烧结2小时即可得到GGG透明陶瓷纳米多晶粉料，此法工艺条件温和，易于控制；适合低成本批量生产。
本发明的目的可以采用下述技术方案实现：
(1)严格按照化学计量比称量Gd2O3和Ga2O3；
(2)用稀HNO3溶液溶解Gd2O3，用适当配比浓HNO3与浓HCl的混合液溶解Ga2O3；
(3)将两组分溶液混合均匀，得到澄清、透明的混合溶液；
(4)强力搅拌条件下，先往混合溶液中滴加氨水，然后再滴加NH4HCO3，控制反应结束pH值在7～10之间，得到沉淀产物；
(5)对该沉淀产物进行抽滤、水洗、乙醇洗涤后，恒温干燥得到GGG陶瓷纳米晶的前驱体；
(6)将前驱体进行煅烧，得到GGG陶瓷纳米晶。
本发明的目的还可以通过下述技术方案实现：
本发明以氨水和碳酸氢铵共同做沉淀剂，使Gd3+、Ga3+能按比例(5∶3)同时均匀沉淀出来，防止组分发生偏析。沉淀反应时先用氨水来调节混合溶液的pH值为2～4，后加入碳酸氢铵，控制沉淀反应结束pH值在8～10之间；沉淀反应结束后，再继续搅拌陈化2～8小时。沉淀产物经抽滤后先进行2～5次水洗，后进行2～5次乙醇洗涤。将洗涤后的沉淀于50～120℃下恒温干燥6～12h，得到GGG陶瓷纳米晶的前驱体。将干燥后的前驱体于800～1200℃下烧结1～3小时，得到GGG陶瓷纳米晶。
在制备混合溶液的过程中，Ga2O3的溶解比较困难，本发明选择在浓HNO3中加入适量的浓HCl、在80～90℃恒温水浴加热条件下并快速搅拌来促进溶解，其中浓HNO3与浓HCl的体积比为1∶0～1，理想的体积比为3∶1。
本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：
本发明采用氨水、碳酸氢铵做分步沉淀剂。首先由于氨水的存在可以使稀土离子按预先设计的组分定量沉淀，后续加入的碳酸氢铵由于在分解中产生CO2，使溶液局部形成了成核所需的过饱和度，这有利于生成粒度小而且均匀的沉淀。同时碳酸氢铵在煅烧过程中也能产生CO2气体，可有效地防止了粉体在煅烧过程中产生的团聚，从而可以优化所得粉体的显微结构，提高粉体的烧结活性。
据文献报道，采用固相法合成GGG多晶料需在高温下(1350-1650℃)长时间(24h)烧结，且存在反应不充分等缺点。本方案中在低于1000℃下煅烧2h就可获得晶化完全的GGG多晶料，极大的降低了粉体的合成温度，进而可节约能源，同时减少对设备的要求。
本发明合成的纳米晶近于球形，颗粒细小，纯度高，分散性好，是适于制备GGG透明陶瓷的理想的前驱粉体。本发明还赋予GGG透明陶瓷纳米粉体良好的可控制性及批量制备可行性。
附图说明
图1是本发明方法制备的GGG陶瓷纳米晶的X-射线衍射图谱(800℃煅烧2h)。
具体实施方式
实施例1
操作步骤如下：
1、溶液的配制：分别将7.322g Ga2O3溶于300ml浓HCl与HNO3的混合液中(其中V(HNO3)∶V(HCl)＝3∶1)得到Ga(NO3)3溶液；将8.496g Gd2O3溶于1mol/L的HNO3中得到Gd(NO3)3溶液。将上述两种溶液混合，定容500ml后，制成浓度为0.10mol/L的混合溶液。
2、前驱体的制备：在强力搅拌下往混合溶液中缓慢滴加氨水，调节pH值为2，使Ga3+、Gd3+同时均匀沉淀。再缓慢滴加浓度为2.0mol/LNH4HCO3的溶液，控制pH值为8使沉淀反应完全且不发生溶解。滴定完后继续搅拌1h，静置待粒子沉降以后取少许上层清液，滴加氨水若不再产生沉淀说明沉淀完全。将所得沉淀在40℃下继续恒温处理4h。
3、洗涤处理：倒去上层清液，对沉淀进行抽滤。对沉淀进行水洗3次，以除去沉淀表面吸附的各种杂质离子，后醇洗3次，以减少粉体的团聚。
4、干燥处理：将洗涤所得前驱体置于恒温干燥箱中，在80℃下恒温干燥处理10h，得到GGG陶瓷前驱粉体。
5、煅烧处理：将前驱粉体用玛瑙研钵研磨后，于800℃下煅烧2h，即可获得GGG陶瓷纳米晶。
图1X-射线衍射结果表明，在800℃下煅烧2h即可获得晶化完全的GGG多晶原料。
其它实施例见下表。
操作步骤相同。
Claims (7)
1、一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)严格按照化学计量比称量Gd2O3和Ga2O3；
(2)用稀HNO3溶液溶解Gd2O3，用适当配比的浓HNO3与浓HCl的混合液溶解Ga2O3；
(3)将两组分溶液混合均匀，得到澄清、透明的混合溶液；
(4)强力搅拌条件下，先往混合溶液中滴加氨水，然后再滴加NH4HCO3，控制反应结束pH值在7～10之间，得到沉淀产物；
(5)对该沉淀产物进行抽滤、水洗、乙醇洗涤后，恒温干燥得到GGG陶瓷纳米晶的前驱体；
(6)将前驱体进行煅烧，得到GGG陶瓷纳米晶。
2、如权利要求1所述的一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法，其特征在于：以氨水和碳酸氢铵共同做沉淀剂，使Gd3+、Ga3+能按比例(5∶3)同时均匀沉淀出来，防止组分发生偏离。
3、如权利要求1所述的一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法，其特征在于：先用氨水来调节混合溶液的pH值为2～4，后加入碳酸氢铵，控制沉淀反应结束pH值在8～10之间；沉淀反应结束后，再陈化2～8小时。
4、如权利要求1所述的一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法，其特征在于：以浓HNO3与浓HCl的体积比为1∶0～1的混合液，在80～90℃恒温水浴和快速搅拌条件下来实现Ga2O3的溶解。
5、如权利要求1所述的一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法，其特征在于：对沉淀产物抽滤后进行2～5次水洗，后进行2～5次乙醇洗涤。
6、如权利要求1所述的一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法，其特征在于：将洗涤后的沉淀于50～120℃下恒温干燥6～12h，得到GGG陶瓷纳米晶的前驱体。
7、如权利要求1所述的一种合成Gd3Ga5O12(GGG)透明陶瓷纳米晶的方法，其特征在于：将干燥后的前驱体于800～1200℃下烧结1～3小时，得到GGG陶瓷纳米晶。
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