RU2613994C1 - Способ получения легированного алюмоиттриевого граната - Google Patents

Способ получения легированного алюмоиттриевого граната Download PDF

Info

Publication number
RU2613994C1
RU2613994C1 RU2015141750A RU2015141750A RU2613994C1 RU 2613994 C1 RU2613994 C1 RU 2613994C1 RU 2015141750 A RU2015141750 A RU 2015141750A RU 2015141750 A RU2015141750 A RU 2015141750A RU 2613994 C1 RU2613994 C1 RU 2613994C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
yttrium
garnet
alloying elements
product
aluminum
Prior art date
Application number
RU2015141750A
Other languages
English (en)
Inventor
Георгий Алексеевич Досовицкий
Дарья Евгеньевна Кузнецова
Павел Александрович Волков
Александр Леонидович Михлин
Алексей Геральдович Миронов
Алексей Ефимович Досовицкий
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Химических Реактивов И Особо Чистых Химических Веществ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Химических Реактивов И Особо Чистых Химических Веществ" filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Химических Реактивов И Особо Чистых Химических Веществ"
Priority to RU2015141750A priority Critical patent/RU2613994C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2613994C1 publication Critical patent/RU2613994C1/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F17/00—Compounds of rare earth metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F17/00—Compounds of rare earth metals
    • C01F17/10—Preparation or treatment, e.g. separation or purification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F17/00—Compounds of rare earth metals
    • C01F17/30—Compounds containing rare earth metals and at least one element other than a rare earth metal, oxygen or hydrogen, e.g. La4S3Br6
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F17/00—Compounds of rare earth metals
    • C01F17/30—Compounds containing rare earth metals and at least one element other than a rare earth metal, oxygen or hydrogen, e.g. La4S3Br6
    • C01F17/32—Compounds containing rare earth metals and at least one element other than a rare earth metal, oxygen or hydrogen, e.g. La4S3Br6 oxide or hydroxide being the only anion, e.g. NaCeO2 or MgxCayEuO
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/50—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on rare-earth compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/22—Complex oxides
    • C30B29/28—Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0877—Liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0881—Two or more materials
    • B01J2219/0888—Liquid-liquid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/80—Optical properties, e.g. transparency or reflexibility
    • C04B2111/807—Luminescent or fluorescent materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3852—Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3852—Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
    • C04B2235/3865—Aluminium nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/443—Nitrates or nitrites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9646—Optical properties
    • C04B2235/9653—Translucent or transparent ceramics other than alumina

Abstract

Изобретение относится к технологии получения соединений, относящихся к группе сложных оксидов со структурой граната, легированных щелочными и щелочноземельными элементами и элементами 3d группы, которые могут быть применены для изготовления различных люминесцентных материалов в оптоэлектронике, в том числе для изготовления светодиодных источников освещения. Способ осуществляют диспергированием твердого алюмоиттриевого оксидного производного в азотнокислых водных растворах солей легирующих элементов и последующей обработкой и выделением конечного продукта. При этом в качестве исходного алюмоиттриевого производного используют продукт, предварительно полученный совместным осаждением из азотнокислых водных растворов алюминия и иттрия. Полученный осажденный продукт затем подвергают фильтрации и промывке деионизированной водой. После этого выделенный продукт диспергируют при воздействии ультразвука в растворе легирующих элементов, выбранных из группы щелочных и щелочноземельных металлов и элементов 3d группы, образовавшуюся пульпу сушат при постоянном перемешивании, высушенный продукт измельчают и прокаливают при 1200°C до 1600°C. Изобретение позволяет получать алюмоиттриевый гранат с равномерным распределением легирующих элементов в количестве от 1⋅10-4 до 1 масс. %. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 4 пр.

Description

Предлагаемое изобретение относится к технологии получения соединений относящихся к группе сложных оксидов со структурой граната, а именно касается получения алюмоиттриевого граната, легированного щелочными и щелочноземельными металлами и металлами 3d группы, которые могут быть применены для изготовления различных люминесцентных материалов в оптоэлектронике, в том числе для изготовления светодиодных источников освещения.
Как известно, алюмоиттриевый гранат (YAG) представляет собой сложный оксид иттрия и алюминия с химической формулой Y3Al5O12 и структурой граната. Алюмоиттриевый гранат (АИГ; YAG) имеет кубическую симметрию решетки, обладает изотропным тепловым расширением, устойчив к деформации при повышенных температурах (более 1000°C). Разработаны различные методы получения алюмоиттриевого граната в форме монокристаллов: метод выращивания кристаллов [Тугоплавкие соединения. Наука, стр. 579, 1979, Новосибирск], метод горизонтальной направленной кристаллизации (CN 1552956, C30B 15/00, 2004) и в форме порошков: метод твердофазного синтеза (conventional solid-state method) [JP 27966321, C09K 11/08, 1998], гидротермальный метод (solvothermal method) [Puttbach R.C. et al., J.Phys Chem. Solids, 1967 №1, 569-571; RU 2137867, C01F 17/00, 2000], метод «горения» (flame-synthesis method) или метод СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) [WO 2011102566, C09K 35/10, 2011], криохимический метод [CN 101497790, C30B 29/28, 2009], метод соосаждения из растворов (coprecipitation method) [US 68442585, C03C 35/106, 2005, CN 1562880, C04B 35/50, 2005; CN 101973569, C01F 17/00, 2011; CN 101870491, C01F 17/02, 2010; Ji Guang Coprecipitation synthesis, European Ceramic Soc, 2000, 20, p. 2395-2405], золь-гель метод (sol-gel method) [Яновская М.И. Формирование ультрадисперсных оксидных систем. Физико-химические ультрадисперсные системы. М.: Наука, 1987, стр. 189-191].
Для применения в области оптоэлектроники синтезируются различные легированные производные алюмоиттриевого граната. Например, описан алюмоиттриевый гранат, содержащий редкоземельные и редкие элементы, общей формулы: Y3-xРЗAl5O12, где РЗ - Ce, Eu, Nd, Yb, Cr, Sm, при x=0,03 [CN 101985397, C01F 17/00, 2011], и алюмоиттриевый гранат, легированный европием (Y2,97Eu0,03Al5O12) и церием (Y2,97Ce0,03Al5O12) [RU 2503754, C30B 29/28, 2014].
Легирование алюмоиттриевого граната элементами из ряда щелочных элементов (ЩЭ), щелочноземельных элементов (ЩЗЭ), 3d-элементов может проводиться с различными целями.
Известно, что Li и Na могут рассматриваться как добавки, улучшающие спекание керамики из этого материала, a Mn, Ni и Cr могут использоваться для придания материалу особых люминесцентных свойств [N. Hanami, Т. Katsumata, Н. Aizawa, М. Honda, М. Shibasaki, K. Otsubo, S. Komuro, Fluorescence Thermometer Based on Luminescence Imaging of Garnet Sensor, материалы конференции International Conference on Control, Automation and Systems 2008, Oct. 14-17, 2008, Seoul, Korea. W. Wang, J. Tang, S.T. Hsu, J. Wang, B.P. Sullivan, Energy transfer and enriched emission spectrum in Cr and Ce co-doped Y3Al5O12 yellow phosphors, Chemical Physics Letters 457 (2008) 103-105. W. Xiang, J. Zhong, Y. Zhao, B. Zhao, X. Liang, Y. Dong, Z. Zhang, Z. Chen, B. Liu, Growth and characterization of air annealing Mn-doped YAG: Ce single crystal for LED, Journal of Alloys and Compounds 542 (2012) 218-221. E.P. Dubrovina, V.A. Sandulenko, M.I. Demchuk, N.V. Kuleshov, V.P. Mikhailov, The optical spectroscopy of Ni-doped garnets, Chemical Physics Letters 170(5,6) (1990) 473-477].
Fe рассматривается как возможный сенсибилизатор люминесценции для получения лазерных материалов [V. Lupei, A. Lupei, S. Bonea, М. Nanau, М. Bolog, Energy transfer from Fe3+ to rare-earth ions in YAG and the problem of sensitization of laser emission, Journal de Physique IV, 1994, 04 (C4), p.C4-505-C4-508].
Mn и Ca могут служить модификаторами сцинтилляционных свойств материалов на основе алюмоиттриевого граната [K. Kamada, М. Nikl, S. Kurosawa, A. Beitlerova, A. Nagura, Y. Shoji, J. Pejchal, Y. Ohashi, Y. Yokota, A. Yoshikawa, Alkali earth co-doping effects on luminescence and scintillation properties of Ce doped Gd3Al2Ga3O12 scintillator, Optical Materials 41 (2015). P. 63-66].
В известном способе получения алюмоиттриевого граната, легированного редкоземельными элементами [RU 2503754, C30B 29/28, 2014], применяется метод осаждения, который осуществляют путем введения в водный раствор гидрокарбоната аммония, используемого в качестве осадителя, смесевого водного раствора азотнокислых солей алюминия, иттрия и легирующих элементов в количестве, соответствующем молярному соотношению гидрокарбоната аммония к суммарному количеству катионов металлов, равному 3,6:1. При этом осаждение проводят при перемешивании и в присутствии фторсодержащей добавки, вводимой в раствор осадителя в количестве 0,1-5 мол. % атомов фтора от количества осадителя, после чего перемешивают реакционную массу со скоростью 300-500 об/мин, выделяют осажденный продукт, промывают его водой, сушат при 100-150°C и прокаливают при температуре 1100°C. Осаждение осуществляют предпочтительно 2-молярным водным раствором гидрокарбоната аммония. В качестве исходного раствора совместного водного раствора азотнокислых солей алюминия, иттрия и легирующих элементов предпочтительно используют раствор с общей концентрацией ионов металлов 1 моль/л. При этом смесевой раствор катионов приливают предпочтительно со скоростью, равной 60 мл/мин, в качестве фторсодержащей добавки при осаждении используют водный раствор фторида аммония. В результате осуществления данного способа получается группа производных алюмоиттриевого граната, легированного редкоземельными элементами в виде высокочистых, однофазных порошков с субмикронным размером частиц и повышенной яркостью свечения. Однако, как показывает практика, описанный в данном патенте метод совместного осаждения из водных растворов при непосредственном добавлении растворов легирующих элементов к растворам солей алюминия и иттрия, применимый при получении производных алюмоиттриевого граната, легированного редкоземельными элементами, неэффективен при получении алюмоиттриевого граната, легированного рядом щелочных и щелочноземельных элементов. Выявлено, что щелочные и щелочноземельные элементы (Li, Na, K, Mg, Ca) не осаждаются количественно совместно с гранатом, как и некоторые 3d элементы (см. таблицу 1).
Другое направление в осуществлении метода соосаждения для получения легированного алюмоиттриевого граната сводится к тому, что в качестве исходного продукта используется сформированный заранее образец алюмоиттриевого граната, который пропитывают растворами легирующих добавок. Данный метод применен в известном способе, защищаемом патентом США [US 6844285, C03C 35/106, 2005] для получения прозрачного поликристаллического алюмоиттриевого граната, легированного оксидами магния и циркония (yttrium aluminium garnet co-doped with MgO and ZrO2), в котором весовое соотношение оксида магния к оксиду циркония варьируется от 1,5:1 до 3:1, предпочтительно - 2:1. При этом количество магния от общего веса составляет 200-1000 ppm, а оксида циркония - 70-600 ppm. Толщина получаемого материала составляет 0,8 мм. Получаемый продукт имеет суммарное пропускание 93% при длинах волн 400-700 нм и линейное (in line) пропускание 10% при длине волны 600 нм.
Исходный порошкообразный АИГ согласно описанию осуществления способа в цитируемом выше патенте сушат, прессуют под давлением порядка 5 ksi, а затем подвергают так называемому мокрому прессованию (изостатическое прессование) под давлением порядка 25 ksi. В случае использования образца АИГ в трубчатой форме проводят изостатическое прессование в полиуретановых трубках. Затем проводят предварительную термообработку получаемых образцов на воздухе при 900°C в течение двух часов, выжигание связки и спекание. Добавки вводят в виде растворов, пропитывая ими предварительно термообработанный образец. Растворы добавок получают растворением рассчитанных количеств нитрата магния Mg(NO3)2. 6H2O и/или цирконилнитрата ZrO(NO3)2 в деионизированной воде. После погружения образцов в раствор добавок их извлекают и помещают в вакуумную камеру при 27 дюймах рт.ст., а затем снижают вакуум до 15 дюймов рт.ст. в течение 30 минут. Затем образец извлекают из камеры, сушат на воздухе и повторно спекают при 900°C в течение 2 часов. При таких условиях нитраты переходят в оксиды. Спекание осуществляют в вольфрамо-молибденовых печах в токе влажного водорода, который барботируют через слой воды, получая пароводородный газовый поток. Спекание обычно проводят при 1750-1910°C, с нагревом со скоростью 15°C/мин и охлаждением до комнатной температуры со скоростью 30°C/мин. Влажный водород при введении в печь имеет температуру 1400°C. В получаемом продукте измеряется пропускание в диапазоне длин волн 400-700 нм.
Описано получение образцов АИГ, легированных только MgO, или только ZrO2, или MgO и ZrO2 одновременно. Образец, содержавший 350 ppm оксида магния и 374 ppm оксида циркония, был розового цвета, а содержавший 350 ppm оксида магния и 187 ppm оксида циркония - прозрачный. Данный способ как наиболее близкий по технической сущности заявленному способу принят за его прототип.
Недостатком известного способа-прототипа является неоднородность распределения легирующей вводимой добавки в алюмоиттриевом гранате. Добавка вводится на поверхность синтезированных частиц алюмоиттриевого граната, и, поскольку алюмоиттриевый гранат является тугоплавким оксидом, для ее равномерного распределения требуется неоправданно увеличивать время термообработки. В противном случае максимальная концентрация вводимой добавки будет реализовываться на поверхности его частиц. Кроме того, на равномерность распределения добавки могут оказывать влияние капиллярные явления в пространстве между частицами сформированного образца при его высыхании.
Целью создания нового изобретения является синтез группы производных алюмоиттриевого граната, легированных щелочными и щелочноземельными металлами и металлами 3d-группы, на примерах Li, Na, K, Mg, Ca, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, с равномерным распределением легирующих элементов в порошке. Для осуществления указанной цели предлагается способ получения легированного алюмоиттриевого граната, включающий стадию диспергирования твердого алюмоиттриевого оксидного производного в азотнокислых водных растворах солей легирующих элементов, где в качестве исходного алюмоиттриевого производного используют продукт, имеющий катионный состав алюмоиттриевого граната, предварительно полученный совместным осаждением из азотнокислых водных растворов алюминия и иттрия, взятых в количествах, соответствующих катионному составу алюмоиттриевого граната, выделенный фильтрацией и промытый водой, который затем диспергируют при воздействии ультразвука в смешанном азотнокислом водном растворе легирующих металлов, выбранных из группы щелочных и щелочноземельных металлов и элементов 3d группы, содержащем легирующие элементы в количестве от 1⋅10-4 до 1 масс. % по отношению к весу получаемого легированного граната, после чего образовавшуюся после диспергирования пульпу сушат при постоянном перемешивании, затем высушенный продукт измельчают, просевают и прокаливают при 1200-1600°C.
В качестве легирующих элементов 3d группы используют Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn. В качестве щелочных и щелочноземельных легирующих элементов используют Li, Na, K, Mg, Ca.
Предлагаемый способ существенно отличается от рассмотренного детально выше способа-прототипа [US 6844285]. В прототипе рассматривается получение алюмоиттриевого граната, содержащего оксиды магния и/или циркония, осуществляемое пропитыванием водными азотнокислыми растворами магния и/или циркония уже сформированного объекта из алюмоиттриевого граната в форме твердого диска или трубки, полученного из синтезированного порошкообразного алюмоиттриевого граната. При таком способе введения добавки может возникать неоднородность распределения добавок по готовому керамическому объекту, вызванная наличием капиллярного эффекта в пространстве между частицами сформированной заготовки при ее высыхании после введения добавок, а также тем, что растворы добавок при их нанесении распределяются на поверхности частиц тугоплавкого и достаточно инертного алюмоиттриевого граната и с трудом проникают внутрь частиц.
В отличие от прототипа в предлагаемом способе раствор добавок вводится в пульпу алюмоиттрийоксидного соединения, полученного после осаждения, не прошедшего высокотемпературной термической обработки и в котором еще не сформирована фаза граната. При термообработке осадка он оказывается в более реакционноспособном состоянии по сравнению с частицами тугоплавкого оксида, используемого в прототипе, и, как результат, в получаемом по предлагаемому способу легированном алюмоиттриевом гранате достигается более равномерное распределение легирующих элементов.
Прокаливание проводят при температуре 1200-1600°C, так как при этих температурах в прокаленных образцах формируется фаза граната
На свойства получаемых соединений оказывает влияние чистота исходных продуктов, поэтому в качестве исходных продуктов используют только чистые химические соединения, например реактивной квалификации и выше. В качестве исходных продуктов могут быть применены: алюминий азотнокислый квалификации «осч», оксид иттрия квалификации «4N», а также нитраты лития, натрия, калия, магния, кальция, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка квалификации не ниже «чда».
Ниже изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Готовят азотнокислые растворы алюминия и иттрия с концентрациями не ниже 1 моль/л по содержанию катиона. Затем готовят смесевой раствор, смешивая требуемые количества растворов иттрия азотнокислого и алюминия азотнокислого с соотношением катионов Al+3:Y3+, равным 5:3, исходя из их концентрации, определяемой одним из известных способов. Добавляют воду для обеспечения общей концентрации ионов металлов 1 моль/л. Также готовят растворы, содержащие индивидуальные легирующие добавки Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, с концентрациями 1 г/л в пересчете на металл. Готовят совместный раствор требуемых легирующих добавок.
В стеклянный стакан помещают водный раствор аммиака с концентрацией 5% и при постоянном перемешивании приливают к нему тонкой струей смесевой раствор катионов. Осадок отфильтровывают и промывают на фильтре водой.
Отфильтрованный осадок в требуемом количестве из расчета на 10 г готового продукта помещают в стеклянный стакан емкостью 100 мл, добавляют к нему совместный раствор легирующих компонентов, содержащий по 1 мл приготовленных растворов индивидуальных добавок. Проводят диспергирование осадка в растворе, обрабатывая стакан с осадком в ультразвуковой ванне в течение 10 минут при тщательном перемешивании.
Полученную пульпу загружают в кварцевый тигель и помещают в сушильный шкаф. Сушку ведут при температуре 100°C в течение 8 часов, перемешивая содержимое тигля каждый час или чаще, если это необходимо, чтобы избежать расслаивания. Просушенный продукт измельчают в агатовой ступке и просевают через сетку из полиамидных нитей с размером ячеек 100 мкм. Тигель с продуктом загружают в печь и проводят прокалку в температурном интервале от 1200°C до 1600°C в течение 2 часов после выхода печи на режим.
Описанным способом получают алюмоиттриевый гранат с добавками 3d элементов в количестве 1⋅10-2 масс. %. Результаты анализа методом атомно-эмиссионной спектрометрии с возбуждением пробы индуктивно связанной плазмой, приведенные в Таблице 2, подтверждают вхождение добавок Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn в состав АИГ при введении патентуемым способом.
Пример 2
Способом, аналогичным описанному в примере 1, готовят смесевой раствор алюминия, иттрия и церия с соотношением катионов Al3+:Y3+:Ce3+, равным 5:2,97: 0,03. Также готовят растворы, содержащие индивидуальные легирующие добавки Li, Na, K, Mg, Ca в концентрациях 10 г/л в пересчете на металл. Готовят совместный раствор требуемых легирующих добавок.
Получение осадка проводят аналогично примеру 1.
Отфильтрованный осадок в требуемом количестве из расчета на 10 г готового продукта помещают в стеклянный стакан емкостью 100 мл, добавляют к нему по 0,1, 0,5 или 1 мл растворов требуемых легирующих добавок. Далее осадок обрабатывают аналогично примеру 1.
Описанным способом получают алюмоиттриевый гранат, легированный церием, с добавками щелочных или щелочноземельных элементов в количестве 1⋅10-2 масс. % - 1⋅10-1 масс. %. Результаты анализа методом атомно-эмиссионной спектрометрии с возбуждением пробы индуктивно связанной плазмой, приведенные в Таблице 3, подтверждают вхождение добавок Li, Na, K, Mg, Ca в состав АИГ при введении патентуемым способом.
Описанный способ обеспечивает гомогенное распределение добавки в матрице алюмоиттриевого граната. Так, введение в состав алюмоиттриевого граната кальция патентуемым способом в количестве 1⋅10-2 масс. % - 5⋅10-2 масс. % не приводит к изменению его микроструктуры (Фиг. 1). В то же время в работе [Schuh L.H. Microstructure and defect chemistry of yttrium aluminium garnet ceramics // Eindhoven: Doctor thesis, Technical University of Eindhoven. 1989. 171 p.], в которой введение добавки кальция производилось на поверхность частиц спеченного оксида, введение 5⋅10-3 масс. % - 5⋅10-2 масс. % приводила к ограничению роста зерен и снижению среднего размера зерна в 4 раза.
Пример 3
Способом, описанным в примере 1, готовят смесевой раствор алюминия и иттрия с соотношением катионов Al3+:Y3+, равным 5:2,886. Способом, описанным в примере 1, получают осадок. Готовят раствор нитрата хрома (III) с концентрацией 10 г/л в расчете на хром. Отфильтрованный осадок в требуемом количестве из расчета на 10 г готового продукта помещают в стеклянный стакан и добавляют к нему 10 мл приготовленного раствора нитрата хрома. Далее осадок обрабатывают аналогично примеру 1. Описанным способом получают алюмоиттриевый гранат, активированный хромом, отвечающий формуле (Y0,962Cr0,038)3Al5O12 (что составляет 1 масс. % относительно массы образца АИГ). Спектр его фотолюминесценции приведен на Фиг. 2.
Пример 4
Способом, аналогичным описанному в примере 1, готовят смесевой раствор алюминия, иттрия и церия с соотношением катионов Al3+:Y3+:Ce3+, равным 5:2,955:0,03. Способом, описанным в примере 1, получают осадок. Готовят раствор нитрата хрома (III) с концентрацией 10 г/л в расчете на хром. Отфильтрованный осадок в требуемом количестве из расчета на 10 г готового продукта помещают в стеклянный стакан емкостью 100 мл, добавляют к нему 1,3 мл приготовленного раствора нитрата хрома. Далее осадок обрабатывают аналогично примеру 1. Описанным способом получают алюмоиттриевый гранат, активированный совместно церием и хромом, отвечающий формуле (Y0,985Ce0,01Cr0,005)3Al5O12. Спектр его фотолюминесценции приведен на Фиг. 3.
Таким образом, приведенные примеры демонстрируют применимость патентуемого способа для получения алюмоиттриевого граната, легированного щелочными и щелочноземельными металлами и металлами 3d группы. На Фиг. 4 приведена схема процесса получения алюмоиттриевого граната, легированного щелочными и щелочноземельными металлами и металлами 3d группы по предлагаемому способу. В частности, описанным методом может быть получен алюмоиттриевый гранат, активированный хромом (пример 3), который представляет интерес в качестве материала для люминесцентного термометра [N. Hanami, Т. Katsumata, Н. Aizawa, М. Honda, М. Shibasaki, K. Otsubo, S. Komuro, Fluorescence Thermometer Based on Luminescence Imaging of Garnet Sensor, материалы конференции International Conference on Control, Automation and Systems 2008, Oct. 14-17, 2008, Seoul, Korea], а также алюмоиттриевый гранат, со-активированный церием и хромом (пример 4), который представляет интерес в качестве материала люминофора для светодиодных источников освещения [W. Wang, J. Tang, S.T. Hsu, J. Wang, B.P. Sullivan, Energy transfer and enriched emission spectrum in Cr and Ce co-doped Y3Al5O12 yellow phosphors, Chemical Physics Letters 457 (2008) 103-105].
Ниже приводятся Табл. 1, 2, 3 и Фиг. 1, 2, 3, 4, подтверждающие характеристики полученных соединений.
Таблица 1 - результаты анализа методами масс-спектрометрии и атомно-эмиссионной спектрометрии с возбуждением пробы индуктивно связанной плазмой вхождения легирующих добавок в состав АИГ при введении методом осаждения.
Таблица 2 - результаты анализа методом атомно-эмиссионной спектрометрии с возбуждением пробы индуктивно связанной плазмой вхождения добавок Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn в состав АИГ при введении патентуемым способом.
Таблица 3 - результаты анализа методом атомно-эмиссионной спектрометрии с возбуждением пробы индуктивно связанной плазмой вхождения добавок Li, Na, K, Mg, Ca в состав АИГ при введении патентуемым способом
Фиг. 1 - Изображение сканирующей электронной микроскопии образцов АИГ:Ce без добавок и с добавкой Ca в количестве 5⋅10-2 масс. %.
Фиг. 2 - Спектр фотолюминесценции соединения (Y0,962Cr0,038)3Al5O12 из примера 3 и спектр фотовозбуждения того же соединения.
Фиг. 3 - Спектр фотолюминесценции соединения (Y0,985Ce0,01Cr0,005)3Al5O12 из примера 4.
Фиг. 4 - Схема процесса получения алюмоиттриевого граната, легированного щелочными и щелочноземельными металлами и металлами 3d группы по предлагаемому способу.
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004

Claims (3)

1. Способ получения легированного алюмоиттриевого граната, включающий стадию диспергирования твердого алюмоиттриевого оксидного производного в азотнокислых водных растворах солей легирующих элементов, последующую обработку и выделение конечного продукта, отличающийся тем, что в качестве исходного алюмоиттриевого производного используют продукт, имеющий катионный состав алюмоиттриевого граната, предварительно полученный совместным осаждением из смешанного водного раствора чистых азотнокислых солей алюминия и иттрия, выделенный фильтрацией, промытый водой, который затем диспергируют при воздействии ультразвука в смешанном водном растворе азотнокислых солей легирующих элементов, выбранных из группы щелочных и щелочноземельных металлов и элементов 3d группы, содержащих легирующие элементы в количестве от 1⋅10-4 до 1 масс. % по отношению к весу получаемого легированного граната, после чего образовавшуюся после диспергирования пульпу сушат при регулярном перемешивании, высушенный продукт измельчают, просеивают и прокаливают при температурах 1200-1600°С.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легирующих элементов 3d группы используют Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве щелочных и щелочноземельных легирующих элементов используют Li, Na, K, Mg, Са.
RU2015141750A 2015-10-01 2015-10-01 Способ получения легированного алюмоиттриевого граната RU2613994C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141750A RU2613994C1 (ru) 2015-10-01 2015-10-01 Способ получения легированного алюмоиттриевого граната

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141750A RU2613994C1 (ru) 2015-10-01 2015-10-01 Способ получения легированного алюмоиттриевого граната

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2613994C1 true RU2613994C1 (ru) 2017-03-22

Family

ID=58453160

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015141750A RU2613994C1 (ru) 2015-10-01 2015-10-01 Способ получения легированного алюмоиттриевого граната

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2613994C1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2682554C1 (ru) * 2017-12-28 2019-03-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Способ получения поликристаллических сцинтилляционных материалов в форме порошков
RU2689721C1 (ru) * 2018-08-07 2019-05-29 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Способ получения высокостехиометричных наноразмерных материалов на основе иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов
US20200008363A1 (en) * 2016-06-29 2020-01-09 Nichia Corporation Light emitting device and plant cultivation method
RU2761324C1 (ru) * 2021-03-15 2021-12-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Способ получения нанопорошка иттрий-алюминиевого граната
RU2789398C1 (ru) * 2021-10-19 2023-02-02 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) Способ получения бифазных керамических люминофоров для белых светодиодов

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2137867C1 (ru) * 1998-04-22 1999-09-20 Химический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова Способ получения мелкокристаллического нелегированного и легированного иттрий-алюминиевого граната
US6555022B2 (en) * 1997-02-24 2003-04-29 Superior Micropowders Llc Oxygen-containing phosphor powders, methods for making phosphor powders and devices incorporating same
US6844285B1 (en) * 2003-09-03 2005-01-18 Osram Sylvania Inc. Transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet
RU2503754C1 (ru) * 2012-08-06 2014-01-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Химических Реактивов И Особо Чистых Химических Веществ" Министерства Образования И Науки Российской Федерации Способ получения алюмоиттриевого граната, легированного редкоземельными элементами

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6555022B2 (en) * 1997-02-24 2003-04-29 Superior Micropowders Llc Oxygen-containing phosphor powders, methods for making phosphor powders and devices incorporating same
RU2137867C1 (ru) * 1998-04-22 1999-09-20 Химический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова Способ получения мелкокристаллического нелегированного и легированного иттрий-алюминиевого граната
US6844285B1 (en) * 2003-09-03 2005-01-18 Osram Sylvania Inc. Transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet
RU2503754C1 (ru) * 2012-08-06 2014-01-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Химических Реактивов И Особо Чистых Химических Веществ" Министерства Образования И Науки Российской Федерации Способ получения алюмоиттриевого граната, легированного редкоземельными элементами

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200008363A1 (en) * 2016-06-29 2020-01-09 Nichia Corporation Light emitting device and plant cultivation method
US10952382B2 (en) * 2016-06-29 2021-03-23 Nichia Corporation Light emitting device and plant cultivation method
RU2682554C1 (ru) * 2017-12-28 2019-03-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Способ получения поликристаллических сцинтилляционных материалов в форме порошков
RU2689721C1 (ru) * 2018-08-07 2019-05-29 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Способ получения высокостехиометричных наноразмерных материалов на основе иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов
RU2761324C1 (ru) * 2021-03-15 2021-12-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Способ получения нанопорошка иттрий-алюминиевого граната
RU2789398C1 (ru) * 2021-10-19 2023-02-02 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) Способ получения бифазных керамических люминофоров для белых светодиодов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2613994C1 (ru) Способ получения легированного алюмоиттриевого граната
Hakmeh et al. Combustion synthesis and up-conversion luminescence of La2O2S: Er3+, Yb3+ nanophosphors
RU2503754C1 (ru) Способ получения алюмоиттриевого граната, легированного редкоземельными элементами
Zollfrank et al. Synthesis of Eu-doped SrAl2O4 nanophosphors by CO2 laser vaporization
KR20160061393A (ko) 고체 상태 조명을 위한 새로운 니트리도알루모실리케이트 형광체
Piskuła et al. Luminescence properties of calcium tungstate activated by lanthanide (III) ions
Fadlalla et al. YAG: Ce3+ nano-sized particles prepared by precipitation technique
Wu et al. A new molybdate host material: synthesis, upconversion, temperature quenching and sensing properties
Shandilya et al. Effects of Yb3+ ion doping on lattice distortion, optical absorption and light upconversion in Er3+/Yb3+ co-doped SrMoO4 ceramics
Kumar et al. Observation of up conversion/down conversion luminescence and structural analysis of La2Zr2O7: Pr3+ nano phosphors
Zhu et al. Up-conversion monodispersed spheres of NaYF 4: Yb 3+/Er 3+: green and red emission tailoring mediated by heating temperature, and greatly enhanced luminescence by Mn 2+ doping
Chen et al. Improved luminescence and afterglow emission from Mn2+/Si4+ co-doped AlN by combustion synthesis method
Dai et al. Effect of dopant concentration on the optical characteristics of Cr3+: ZnGa2O4 transparent ceramics exhibiting persistent luminescence
Lu et al. Fabrication and characterization of transparent (Y0. 98− xTb0. 02Eux) 2O3 ceramics with color‐tailorable emission
Thoř et al. Dense ceramics of lanthanide-doped Lu2O3 prepared by spark plasma sintering
Mingyi et al. Effect of Yb3+ concentration on upconversion luminescence of AlON: Er3+ phosphors
Liu et al. Spherical red-emitting X1-Y2SiO5: Eu and α-Y2Si2O7: Eu phosphors with high color purity: The evolution of morphology, phase and photoluminescence upon annealing
Singh et al. Green luminescence and EPR studies on Mn-activated yttrium aluminum garnet phosphor
JP2005298679A (ja) 希土類ホウ酸塩の製造方法
Noto et al. Persistent photoluminescence emission from SrTa2O6: Pr3+ phosphor prepared at different temperatures
Jiao et al. Luminescence properties of Eu3+-doped new scheelite-type compounds
Fadlalla et al. Sol–gel preparation and photoluminescence properties of Ce3+-activated Y3Al5O12 nano-sized powders
JP5409906B2 (ja) Ｅｕ賦活アルカリ土類金属シリケート蛍光体の製造方法
Huo et al. Influence of processing parameters on the luminescence of Eu3+ activated YTa1− xNbxO4 phosphors by a molten salt method
Noh et al. Concentration enhanced upconversion luminescence in ZrO2: Ho3+, Yb3+ nanophosphors

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180609

Effective date: 20180609