CN103058644B - 一种通过合成稀土掺杂y2o3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,本发明通过新的制备工艺,达到既能解决固相法中的杂质问题,又能避免液相法中的成分偏析的问题,优化制备工艺的目的。
Description
技术领域
本发明主要一种制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,尤其涉及一种通过合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法。
背景技术
钇铝石榴石(YAG)属于立方晶系,具有良好的光学性能,是一种重要的激光基质材料。YAG单晶中掺杂Nd3+,Ho3+,Tm3+,Cr4+,Yb3+,Eu3+,Er3+,Sm3+,Ce3+ 等稀土激活离子可以实现激光输出。但是YAG单晶材料制备周期长、尺寸较小、掺杂浓度低,使得其应用受到很大限制。与YAG单晶相比,YAG多晶陶瓷的优势在于能够做到大尺寸制备并实现高功率激光输出,能实现激活离子的高浓度、均匀掺杂,未来有望替代单晶材料。1995年,日本的A.Ikesue 等人通过高能球磨来混合亚微米级的Al2O3、Y2O3和Nd2O3 粉体,再利用固相反应法和真空烧结的手段,首次获得高质量的Nd:YAG 透明陶瓷,实现了激光输出并获得了与单晶相近的激光性能(Fabrication and Optical-Properties of High-Performance Polycrystalline Nd-YAG Ceramics for Solid-State Lasers,J. Am. Ceram. Soc.,1995)。随后,日本神岛化学公司利用化学共沉淀法制备出高活性的YAG纳米粉体(Jpn Patent 10-101333,1998-4-21;Jpn Patent 10-101411,1998-4-21),结合注浆成型的工艺,获得了尺寸达到115×115×22mm的大体积的Nd:YAG透明陶瓷(Characterizations and laser performances of highly transparent Nd3+ : Y3Al5O12 laser ceramics,Optical Materials,2007),实现了67kW的准连续激光输出。国内在2004年 ,东北大学孙旭东教授采用固相反应工艺,得到了高透光的 Nd∶YAG陶瓷 ,其在可见光区最大透光率达 63 % ,在红外光区的透光率接近70 %(Synthesis of nanocrystalline yttria powder and fabrication of transparent YAG ceramics,J. Eur. Ceram. Soc., 2004)。上海硅酸盐研究所通过球磨法也获得了高质量的稀土掺杂YAG透明陶瓷,并在在国内首次实现 Nd∶YAG透明陶瓷的激光输出(Fabrication, Microstructure and properties of highly transparent Nd : YAG laser ceramics,Optical Materials,2008)。
目前比较成熟的YAG透明陶瓷的制备方法有固相法和液相法两种。固相法是指通过高能球磨将氧化物粉末研磨之纳米尺寸并充分混合,然后再进行真空固相反应烧结获得YAG陶瓷;液相法是直接通过共沉淀法制备纳米YAG粉末,再进行真空烧结。固相法工艺简单,利于批量生产,但是固相法需要通过高能球磨来研磨粉体,容易引入大量杂质。液相法制备的粉体分散性好、烧结性高,但是工艺复杂,耗时长,成分容易偏析,制备条件苛刻。
发明内容
本发明目的就是提供一种通过合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种通过合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,包括以下步骤:
(1)以NH4HCO3溶液作为沉淀剂,正向滴定到Y(NO3)3和Re(NO3)3混合溶液中(按照化学式Re2xY2-2xO3的比例配制,x为Re取代Y元素的物质的量,x=0.1%~10%,Re为稀土元素),沉淀剂滴定速度为0.5~10ml/min,滴定同时加入(NH4)2SO4作为分散剂,加入量为Y和Re元素的总物质的量的1~10 %,维持反应体系在0~80°C并不断搅拌,滴定终点pH为6~11,生成沉淀前驱体Re2xY2-2x(CO3)3·2H2O;
(2)滴定结束后,0~80°C下继续搅拌,陈化3~48小时后,依次用去离子水和无水乙醇分别洗涤3-5次,然后将获得的前驱体置于烘箱中干燥;
(3)将干燥后的前驱体过50~400目筛处理,在刚玉坩埚中600~1300°C下煅烧0~10小时,获得高分散性的Re:Y2O3 纳米粉体,粉体晶粒尺寸在5~200nm,激光粒度尺寸分布为50~5000nm;
(4)按照RexY1-xAl5O12的化学计量比称取Re:Y2O3 粉体和高纯的商业Al2O3粉体,并可以添加一定量的烧结助剂、分散剂和粘结剂,以无水乙醇为介质,置于聚四氟乙烯罐中,在低速混料机中混料2~48小时,混料机转速10~100rad/min,磨球为直径1~30mm的陶瓷球;
(5)混料后粉体在30~80°C 干燥24~48小时,并过80~200目筛;
(6)将粉体放入橡胶模具中并密封,采用冷等静压处理3~30min,压力为150~270MPa;
(7)成型后,将素坯放在刚玉坩埚中并且将素坯埋在氧化铝粉末或YAG粉末中,再放入马福炉中,以0.1~10°C的升温速率升温到600~1000°C,保温2~10小时以促进排胶;
(8)素坯放入真空炉中进行真空烧结,升温速率为1~15°C/min,烧结温度为1600~1900°C,烧结时间为5~30小时,真空度高于1×10-3Pa;
(9)样品烧成后,在空气或氧气氛下退火,退火温度1200~1500°C。
第一步骤中稀土硝酸盐的来源是:
(a)商用的高纯的Y(NO3)3和Re(NO3)3试剂;
(b)利用高纯的HNO3溶解商用的高纯的Y2O3和Re2O3粉体;
第1步骤中NH4HCO3溶液的浓度为0.1M~2M,Y(NO3)3和Re(NO3)3混合溶液中稀土阳离子总浓度为0.01 M~1 M;
第4步骤中Al2O3粉体纯度为99.9%~99.999%,粒度为10~5000 nm;
第4步骤中添加的烧结助剂为TEOS或SiO2,添加量分别为混合后粉体重量的0~1wt% 和0~0.3wt%;分散剂为NH4OH、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚乙烯醇、聚乙二醇、鱼油、脂肪酸中的一种或若干种;粘结剂为淀粉、葡萄糖、甘油、甲基纤维素、聚乙烯醇、阿拉伯树胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇缩丁醛中的一种或若干种。
本发明的优点是:
本发明通过新的制备工艺,达到既能解决固相法中的杂质问题,又能避免液相法中的成分偏析的问题,优化制备工艺的目的。
附图说明
图1为实例1所提供的1at%Nd:Y2O3纳米粉体的SEM照片。
图2为实例1所提供的1at%Nd:YAG 陶瓷的XRD图谱。
图3为抛光后 2 mm厚的1at%Nd:YAG 陶瓷的实物照片。
图4为实例1所提供的2 mm厚的1at%Nd:YAG 陶瓷的透过率曲线。
图5为实例1所提供的2 mm厚的1at%Nd:YAG 陶瓷的吸收系数。
具体实施方式
实施例1
一种通过合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,包括以下步骤:
(1)Y(NO3)3 和Nd(NO3)3 按照化学组成Nd2xY2-2xO3称取,配成溶液,Y(NO3)3和Nd(NO3)3总浓度为0.3mol/L,其中x=0.01,同时添加金属离子总量的5%的(NH4)2SO4作为分散剂。
(2)将NH4HCO3溶于去离子水配成1.5mol/L的溶液,称取500mL的NH4HCO3溶液,缓慢滴定到500mL的Y(NO3)3/Nd(NO3)3 混合溶液中,充分搅拌。
(3)滴定结束后,继续搅拌24小时,使之充分结晶。
(4)用去离子水洗涤沉淀物4次,使用离心机分离,去除杂质离子,再用无水乙醇洗涤沉淀物4次,去除水分,减缓在干燥过程中水分引起的团聚。
(5)将干燥后的前驱体研磨并过200目筛,置于刚玉坩埚中1000°C煅烧处理4小时,获得1at%Nd:Y2O3 纳米粉体。
(6)称取1at%Nd:Y2O3 粉18.1790g,商用Al2O3粉体13.6137g ,TEOS 0.1589g,无水乙醇50g,聚丙烯酸0.3180g,聚乙烯醇缩丁醛0.9538g,混合后球磨。磨球为直径3mm的ZrO2球,转速30rad/min,球磨后粉体在50°C下干燥24小时,然后过200目筛。
(7)将筛过的粉体放入橡胶模具中并压实,模具尺寸为φ20×8mm,然后用塑料膜密封,200MPa下冷等静压处理,保压5min。
(8)将素坯埋在氧化铝粉末中并放在刚玉坩埚中,再放入马福炉中,1°C/min升温到800°C,保温10小时以促进排胶;
(9)将素坯放在真空炉中烧结,烧结温度1750°C,保温时间16小时,真空度高于1×10-3Pa;
(10)将烧结后的Nd:YAG陶瓷放入马福炉中,在空气中退火,退火温度1450°C,保温时间10小时。
(11)抛光后,2mm后样品在1064nm处的透过率约80%。
Claims (5)
1.一种通过合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)以NH4HCO3溶液作为沉淀剂,正向滴定到Y(NO3)3和Re(NO3)3混合溶液中,按照化学式Re2xY2-2xO3的比例配制,x为Re取代Y元素的物质的量,x=0.1%~10%,Re为稀土元素;沉淀剂滴定速度为0.5~10ml/min,滴定同时加入(NH4)2SO4作为分散剂,加入量为Y和Re元素的总物质的量的1~10 %,维持反应体系在0~80°C并不断搅拌,滴定终点pH为6~11;
(2)滴定结束后,0~80°C下继续搅拌,陈化0~48小时后,依次用去离子水和无水乙醇分别洗涤3-5次,然后将获得的前驱体置于烘箱中干燥;
(3)将干燥后的前驱体过50~400目筛处理,在刚玉坩埚中600~1300°C下煅烧0~10小时,获得高分散性的Re:Y2O3 纳米粉体,粉体晶粒尺寸在5~200nm,激光粒度尺寸分布为50~5000nm;
(4)按照RexY1-xAl5O12的化学计量比称取Re:Y2O3 粉体和高纯的商业Al2O3粉体,并添加一定量的烧结助剂、分散剂和粘结剂,以混合后粉体总质量的1~5倍的无水乙醇为介质,置于聚四氟乙烯球磨罐中,在低速混料机中混料2~48小时,混料机转速10~100rad/min,磨球为直径1~30mm的陶瓷球;
(5)混料后粉体在30~80°C 干燥24~48小时,并过50~400目筛;
(6)将粉体放入橡胶模具中并密封,采用冷等静压处理3~30min,压力为150~270MPa;
(7)成型后,将素坯放在刚玉坩埚中并且将素坯埋在氧化铝粉末或YAG粉末中,再放入马弗炉中,以0.1~10°C/min的升温速率升温到600~1000°C,保温2~10小时以促进排胶;
(8)素坯放入真空炉中进行真空烧结,升温速率为1~15°C/min,烧结温度为1600~1900℃,烧结时间为5~30小时,真空度高于1×10-3Pa;
(9)样品烧成后,在空气或氧气氛下退火,退火温度1200~1500°C。
2.根据权利要求1所述合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,其特征在于第一步骤中稀土硝酸盐的来源是:
(a)商用的高纯的Y(NO3)3和Re(NO3)3试剂;
(b)利用高纯的HNO3溶解商用的高纯的Y2O3和Re2O3粉体。
3.根据权利要求1所述的合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,其特征在于第一步骤中NH4HCO3溶液的浓度为0.01M~2M,Y(NO3)3和Re(NO3)3混合溶液中稀土阳离子总浓度为0.01 M~1 M。
4.根据权利要求1所述的合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,其特征在于第四步骤中Al2O3粉体纯度为99.9%~99.999%,粒度为10~5000 nm。
5.根据权利要求1所述的合成稀土掺杂Y2O3纳米粉体制备稀土掺杂钇铝石榴石透明陶瓷的方法,其特征在于第四步骤中添加的烧结助剂为TEOS或SiO2,添加量分别为混合后粉体重量的0~1wt% 和0~0.3wt%;分散剂为NH4OH、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚乙烯醇、聚乙二醇、鱼油、脂肪酸中的一种或若干种;粘结剂为淀粉、葡萄糖、甘油、甲基纤维素、聚乙烯醇、阿拉伯树胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇缩丁醛中的一种或若干种,添加量为混合后粉体重量的0~5wt%。
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