RU2761324C1 - Method for producing a nanopowder of yttrium aluminium garnet - Google Patents
Method for producing a nanopowder of yttrium aluminium garnet Download PDFInfo
- Publication number
- RU2761324C1 RU2761324C1 RU2021106745A RU2021106745A RU2761324C1 RU 2761324 C1 RU2761324 C1 RU 2761324C1 RU 2021106745 A RU2021106745 A RU 2021106745A RU 2021106745 A RU2021106745 A RU 2021106745A RU 2761324 C1 RU2761324 C1 RU 2761324C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- yttrium
- microreactor
- solutions
- aluminium
- aluminum
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
- B22F9/18—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
- B22F9/24—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds starting from liquid metal compounds, e.g. solutions
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- 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
- C01F17/34—Aluminates, e.g. YAlO3 or Y3-xGdxAl5O12
-
- 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
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/44—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminates
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам получения порошков нанокристаллического иттрий-алюминиевого граната, который может быть использован в качестве исходного порошка оксидной керамики, в диспергированном состоянии в качестве наполнителя или пигмента или в качестве исходного порошка для получения монокристалла или покрытия, нанесенного методом пламенного распыления, и может применяться в технологиях изготовления лазеров, в химической и других отраслях промышленности.The invention relates to methods for producing nanocrystalline yttrium-aluminum garnet powders, which can be used as a starting powder of oxide ceramics, in a dispersed state as a filler or pigment, or as a starting powder for obtaining a single crystal or a coating applied by a flame spray method, and can be used in laser manufacturing technologies, in the chemical and other industries.
Значительная часть известных способов получения порошков иттрий-алюминиевого граната основана на использовании длительной термообработки смеси порошков исходных соединений иттрия и алюминия.A significant part of the known methods of obtaining powders of yttrium-aluminum garnet is based on the use of long-term heat treatment of a mixture of powders of the starting compounds of yttrium and aluminum.
В патенте РФ №2588227 предлагается смесь хлорида иттрия, хлорида алюминия и изопропилата алюминия при соотношении 3:1:4 подвергнуть термической обработке при интенсивном перемешивании в дифенилоксиде, олеиновой кислоте, стеариновой кислоте или олеиламине при температуре 250-300°С в атмосфере аргона в течение от 8 до 24 ч, после чего образовавшийся осадок фильтруется на воронке Бюхнера и тщательно промывается бензолом. Затем получившийся осадок прокаливают при температуре 900°С, при этом образуется иттрий-алюминиевый гранат.RF patent No. 2588227 proposes a mixture of yttrium chloride, aluminum chloride and aluminum isopropoxide at a ratio of 3: 1: 4 to be heat treated with vigorous stirring in diphenyl oxide, oleic acid, stearic acid or oleylamine at a temperature of 250-300 ° C in an argon atmosphere for from 8 to 24 hours, after which the formed precipitate is filtered on a Buchner funnel and thoroughly washed with benzene. Then the resulting precipitate is calcined at a temperature of 900 ° C, while yttrium-aluminum garnet is formed.
Данный метод позволяет получить ИАГ при умеренных температурах термообработки, однако характеризуется высокими энергозатратами, сложным аппаратурным обеспечением и более дорогими исходными материалы на предыдущих этапах.This method makes it possible to obtain YAG at moderate heat treatment temperatures; however, it is characterized by high energy consumption, complex hardware, and more expensive starting materials at the previous stages.
В патенте РФ №2705848 описан способ изготовления однофазного поликристаллического иттрий-алюминиевого граната, активированного эрбием, иттербием. На первом этапе проводят синтез гидроксидов иттрия, скандия, алюминия и эрбия или иттербия методом совместного осаждения солей YCl3⋅6H2O, AlCl3⋅6H2O и ErCl3⋅6H2O или YbCl3⋅6H2O в стехиометрическом соотношении с добавлением хлорида скандия в количестве 20 мол. % сверх стехиометрии. На следующих этапах проводят: измельчение и термообработку при температуре 1200-1250°С; синтез компенсирующей добавки Al(ОН)3; совместное измельчение гидроксидов и компенсирующей добавки в планетарной мельнице; просев; формование компакта с последующим вакуумным спеканием и отжигом на воздухе. Компенсирующую добавку в виде субмикронного порошка гидроксида алюминия с размером частиц менее 1 микрона, в количестве от 5 до 10% масс. на стадии измельчения порошка в планетарной мельнице вводят на основании данных рентгенофазового анализа и данных масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС анализ).In the patent of the Russian Federation No. 2705848 describes a method of manufacturing single-phase polycrystalline yttrium-aluminum garnet, activated with erbium, ytterbium. At the first stage, yttrium, scandium, aluminum and erbium or ytterbium hydroxides are synthesized by the method of co-precipitation of salts YCl 3 6H 2 O, AlCl 3 ⋅6H 2 O and ErCl 3 ⋅6H 2 O or YbCl 3 ⋅6H 2 O in a stoichiometric ratio with the addition of scandium chloride in the amount of 20 mol. % over stoichiometry. The following stages are carried out: grinding and heat treatment at a temperature of 1200-1250 ° C; synthesis of a compensating additive Al (OH) 3 ; joint grinding of hydroxides and a compensating additive in a planetary mill; sifting; compact molding followed by vacuum sintering and air annealing. A compensating additive in the form of a submicron powder of aluminum hydroxide with a particle size of less than 1 micron, in an amount from 5 to 10% of the mass. at the stage of grinding the powder in a planetary mill, it is introduced on the basis of X-ray phase analysis data and data from inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS analysis).
Недостатками данного способа являются чрезмерно высокие температуры термообработки, сопровождающиеся повышенными затратами энергии, сложность технологического процесса, включающего много стадий.The disadvantages of this method are excessively high heat treatment temperatures, accompanied by increased energy consumption, the complexity of the technological process, which includes many stages.
В патенте РФ №2721548 исходный раствор хлоридов требуемых катионов (иттрия, алюминия и редкоземельных металлов) получают путем растворения металлического алюминия А995, оксидов иттрия и редкоземельных элементов (РЗЭ) в концентрированной соляной кислоте, Раствор упаривают и распыляют в водный раствор аммиака 25% концентрации, содержащий 30-40%-ный раствор пероксида водорода в объемном соотношении от 6:1 до 2:1, а также кристаллический карбамид из расчета 90-100 г на 1 л раствора. Полученный осадок декантируют в деионизированной воде до рН=7. Влажный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. После термообработки полученного прекурсора при температуре более 1000°С можно получить 100%-ный целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат), не содержащий посторонних фаз.In RF patent No. 2721548, the initial solution of chlorides of the required cations (yttrium, aluminum and rare earth metals) is obtained by dissolving metallic aluminum A995, oxides of yttrium and rare earth elements (REE) in concentrated hydrochloric acid. The solution is evaporated and sprayed into an aqueous ammonia solution of 25% concentration, containing a 30-40% solution of hydrogen peroxide in a volume ratio from 6: 1 to 2: 1, as well as crystalline urea at the rate of 90-100 g per 1 liter of solution. The resulting precipitate is decanted in deionized water to pH = 7. The wet precipitate is dried in a vacuum drying oven at a temperature of 60-80 ° C. After heat treatment of the obtained precursor at a temperature of more than 1000 ° C, it is possible to obtain a 100% target product (cubic yttrium aluminum garnet), which does not contain foreign phases.
Недостатками данного способа являются чрезмерная сложность технологического процесса, включающего трудоемкие и энергозатратные технологические операции, в том числе работу с концентрированной кислотой.The disadvantages of this method are the excessive complexity of the technological process, including labor-intensive and energy-consuming technological operations, including work with concentrated acid.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ получения порошка комплексного оксида металла по патенту РФ №2137715, принятый в качестве прототипа, включающий по крайней мере два металлических элемента, отличающийся тем, что осуществляют обжиг смеси по крайней мере двух порошков оксида металла и/или порошков предшественника оксида металла или порошка предшественника оксида металла, содержащего по крайней мере два металлических элемента, в атмосфере, содержащей по крайней мере один газ, выбранный из группы, состоящей из галогенида водорода, компонента, полученного из молекулярного галогена и водяного пара, и молекулярного галогена.The closest to the claimed invention in terms of the combination of essential features and the achieved result is a method for producing a complex metal oxide powder according to RF patent No. 2137715, adopted as a prototype, including at least two metal elements, characterized in that a mixture of at least two powders is fired metal oxide and / or powders of a precursor of a metal oxide or a powder of a precursor of a metal oxide containing at least two metal elements, in an atmosphere containing at least one gas selected from the group consisting of a hydrogen halide, a component derived from molecular halogen and water steam, and molecular halogen.
Недостатками данного способа являются продолжительность термообработки оксидных прекурсоров при высокой температуре, что ведет к большим энергозатратам, а также сильной агломерации частиц получаемого продукта - иттрий-алюминиевого граната.The disadvantages of this method are the duration of heat treatment of oxide precursors at high temperatures, which leads to high energy consumption, as well as strong agglomeration of particles of the resulting product - yttrium-aluminum garnet.
Задачей изобретения является сокращение длительности и уменьшение числа стадий технологического процесса, а в целом - создание предпосылок для увеличения производительности процесса, понижение температуры синтеза, уменьшение габаритов реактора, снижение энергозатрат и улучшение морфологических характеристик продукта (увеличение однородности порошка и уменьшение степени агломерации частиц).The objective of the invention is to reduce the duration and reduce the number of stages of the technological process, and in general - to create the prerequisites for increasing the productivity of the process, lowering the synthesis temperature, reducing the dimensions of the reactor, reducing energy consumption and improving the morphological characteristics of the product (increasing the homogeneity of the powder and reducing the degree of particle agglomeration).
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.The essence of the claimed technical solution is expressed in the following set of essential features, sufficient to solve the technical problem indicated by the applicant and obtain the technical result provided by the invention.
Согласно изобретению способ получения нанопорошка иттрий-алюминиевого граната, включающий приготовление исходных растворов в виде растворов нитратов алюминия и иттрия, раствора аммиака в качестве осадителя, и их последующее смешение с использованием микрореактора, отделение от полученного коллоидного раствора осадка и его термообработку, характеризующийся тем, что смешивание исходных растворов нитратов алюминия и иттрия и раствора аммиака осуществляют с использованием микрореактора с центральным и тангенциальными патрубками для закручивания потоков, причем исходные растворы нитратов алюминия и иттрия подают в один или несколько тангенциальных патрубков микрореактора, а раствор аммиака подают в остальные патрубки микрореактора, от полученного в результате синтеза в микрореакторе коллоидного раствора отделяют аморфный осадок, который фильтруют и термообрабатывают при температуре 1100°С в течение 30 мин с получением нанопорошка иттрий-алюминиевого граната, при этом скорость подачи растворов в патрубки микрореактора составляет не менее 4 м/с, а расходы исходных растворов нитратов алюминия и иттрия устанавливают равными для обеспечения стехиометрического соотношения иттрия и алюминия в полученном иттрий-алюминиевом гранате.According to the invention, a method for producing yttrium-aluminum garnet nanopowder, comprising preparing initial solutions in the form of solutions of aluminum and yttrium nitrates, ammonia solution as a precipitant, and their subsequent mixing using a microreactor, separating the precipitate from the resulting colloidal solution and heat treatment, characterized in that mixing the initial solutions of aluminum and yttrium nitrates and ammonia solution is carried out using a microreactor with central and tangential nozzles for swirling flows, and the initial solutions of aluminum and yttrium nitrates are fed into one or more tangential nozzles of the microreactor, and the ammonia solution is fed into the remaining nozzles of the microreactor, from the resulting As a result of the synthesis of a colloidal solution in a microreactor, an amorphous precipitate is separated, which is filtered and heat-treated at a temperature of 1100 ° C for 30 min to obtain yttrium-aluminum garnet nanopowder, while the solution feed rate is ov in the nozzles of the microreactor is at least 4 m / s, and the flow rates of the initial solutions of aluminum and yttrium nitrates are set equal to ensure the stoichiometric ratio of yttrium and aluminum in the yttrium-aluminum garnet obtained.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что смешение в микрореакторе с закрученными потоками происходит практически мгновенно (длительность смешения составляет порядка микросекунд), благодаря чему существенно сокращается общая продолжительность процесса, а также улучшаются морфологические характеристики продукта. Таким образом, наиболее энергоемкий и продолжительный для известных технических решений процесс, проводимый при относительно высокой температуре, по предлагаемому изобретению проводится за короткий промежуток времени, что и позволяет снизить суммарные энергетические затраты на получение единицы массы продукта. Кроме того, благодаря высоким скоростям (от 4 до 20 м/с) и достаточно большим проходным сечениям патрубков микрореактора (до 3-4 мм) в предлагаемом способе достигается высокая производительность первой стадии процесса. Так, при диаметре патрубков 3 мм и скорости растворов 4 м/с, по одному патрубку на каждый раствор достигается производительность 1,7 л/мин, т.е. общая производительность по получаемой суспензии составляет 0,204 л/час. При диаметре патрубков 3 мм и скорости растворов 5 м/с, по два патрубка на каждый раствор достигается производительность 4,24 л/мин, т.е. общая производительность по получаемой суспензии составляет 0,509 л/час.The claimed set of essential features ensures the achievement of the technical result, which consists in the fact that mixing in a microreactor with swirling flows occurs almost instantly (the duration of mixing is on the order of microseconds), due to which the total duration of the process is significantly reduced, as well as the morphological characteristics of the product are improved. Thus, the most energy-intensive and time-consuming process for the known technical solutions, carried out at a relatively high temperature, according to the proposed invention is carried out in a short period of time, which makes it possible to reduce the total energy costs for obtaining a unit mass of the product. In addition, due to high speeds (from 4 to 20 m / s) and rather large flow sections of the microreactor nozzles (up to 3-4 mm), the proposed method achieves high productivity of the first stage of the process. So, with a diameter of 3 mm nozzles and a solution speed of 4 m / s, one nozzle for each solution achieves a productivity of 1.7 l / min, i.e. the total productivity of the resulting suspension is 0.204 l / h. With a nozzle diameter of 3 mm and a solution speed of 5 m / s, two nozzles for each solution achieve a productivity of 4.24 l / min, i.e. the total productivity of the resulting suspension is 0.509 l / h.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 изображена схема микрореактора для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 - кривые потери массы и дифференциальной сканирующей калориметрии образцов иттрий-алюминиевого граната №1-№4, на фиг. 3 - рентгенограмма образца №4, прокаленного до 1100°С, на фиг. 4 - микрофотографии образца №4 после дополнительной термообработки до 1100°С.The essence of the proposed technical solution is illustrated by a drawing, in which FIG. 1 shows a diagram of a microreactor for implementing the proposed method, FIG. 2 - curves of weight loss and differential scanning calorimetry of samples of yttrium-aluminum garnet No. 1-No. 4, in Fig. 3 - X-ray diffraction pattern of sample No. 4, calcined to 1100 ° C, in Fig. 4 - micrographs of sample No. 4 after additional heat treatment up to 1100 ° C.
Микрореактор с закрученными потоками для реализации заявленного способа содержит корпус 1, центральный патрубок 2, тангенциальные патрубки 3-4 для подачи исходных компонентов и патрубок 5 для отвода продуктов. Корпус имеет цилиндро-коническую форму с горловиной в узкой части, с последующим коническим расширением в виде диффузора, выход из которого является патрубком для отвода продуктов. Один из патрубков 2 установлен соосно корпусу 1, а остальные патрубки 3, 4 установлены тангенциально на цилиндрической части корпуса. Число тангенциальных патрубков 3 может быть один или более. То же относится к патрубкам 4.Microreactor with swirling flows for the implementation of the claimed method contains a
Исходные растворы нитратов алюминия и иттрия, а также раствора аммиака подают через патрубки 2-4 (показано стрелками) со скоростями не менее 4-5 м/с. По мере приближения закрученных потоков к зоне сужения в соответствии с теоремой о сохранении момента количества движения происходит увеличение скорости закрутки, что приводит к улучшению микросмешения. Смесь исходных растворов нитратов алюминия и иттрия может подаваться, например, через тангенциальный патрубок 3 (патрубков 3 может быть более одного), а раствор аммиака - одновременно через центральный патрубок 2 и тангенциальный патрубок 4 (патрубков 4 может быть более одного). Возможны и другие варианты подачи растворов: например, растворы нитратов алюминия и иттрия могут подаваться, через тангенциальные патрубки 3 и 4, а раствор аммиака - через центральный патрубок 2. Выбор способа подачи определяется расходами подаваемых растворов и их концентрациями.Initial solutions of aluminum and yttrium nitrates, as well as ammonia solution, are fed through pipes 2-4 (shown by arrows) at speeds of at least 4-5 m / s. As the swirling flows approach the narrowing zone, in accordance with the theorem on the conservation of angular momentum, the swirling speed increases, which leads to an improvement in micro-mixing. A mixture of initial solutions of aluminum and yttrium nitrates can be supplied, for example, through tangential pipe 3 (there can be more than one pipe 3), and ammonia solution - simultaneously through the
Заявленный способ реализуют следующим образом.The claimed method is implemented as follows.
В заявленном способе основными стадиями являются:In the claimed method, the main stages are:
1 стадия - приготовление исходных растворов нитратов алюминия и иттрия в воде и раствора аммиака в воде;Stage 1 - preparation of initial solutions of aluminum and yttrium nitrates in water and ammonia solution in water;
2 стадия - смешивание исходных растворов в микрореакторе с закрученными потоками;Stage 2 - mixing the initial solutions in a microreactor with swirling flows;
3 стадия - отделение аморфного осадка от раствора любым известным методом;Stage 3 - separation of the amorphous precipitate from the solution by any known method;
4 стадия - термообработка осадка при температуре до 1100°С в течение 30 минут.Stage 4 - heat treatment of the precipitate at temperatures up to 1100 ° C for 30 minutes.
Образование смеси гидроксидов иттрия и алюминия происходит при смешивании растворов в микрореакторе с закрученными потоками, подаваемыми с расходом 1700-3000 мл/мин через патрубки 2-4 диаметром 3 мм (что соответствует скоростям в патрубках 4-7 м/с, при подаче каждого раствора в один патрубок). При смешении закрученных потоков в зоне сужения (конфузора), в особенности вблизи горловины микрореактора и внутри нее образуется кинетически активная область, в которой происходит быстрое и эффективное перемешивание, характеризующееся высокой скоростью диссипации энергии (порядка 10000 Вт/кг) в маленьком объеме. В результате достигается высокий уровень микросмешения (как показали наши расчеты, индекс сегрегации не превышает 0,01), что способствует гомогенизации растворов контактирующих реагентов на микроуровне и, как следствие, обеспечивает нуклеацию (зародышеобразование) наноразмерных частиц и их рост без интенсивной агломерации. При этом продолжительность микросмешения имеет порядок 1-5 мс, что соответствует оценке времени протекания реакций осаждения. Таким образом, согласование времени микросмешения и времени реакции позволяет обеспечить формирование наноразмерных частиц и предотвратить их агломерацию, т.е. за время смешения успевает произойти нуклеация и формирование частиц с минимальными размерами, но для роста и агломерации частиц времени недостаточно, что и позволяет получить наноразмерные частицы.The formation of a mixture of yttrium and aluminum hydroxides occurs when solutions are mixed in a microreactor with swirling flows supplied at a flow rate of 1700-3000 ml / min through nozzles 2-4 with a diameter of 3 mm (which corresponds to velocities in the nozzles of 4-7 m / s, with each solution in one branch pipe). When the swirling flows are mixed in the constriction (confuser) zone, especially near the throat of the microreactor and inside it, a kinetically active region is formed, in which fast and efficient mixing occurs, characterized by a high rate of energy dissipation (about 10,000 W / kg) in a small volume. As a result, a high level of micro-mixing is achieved (as shown by our calculations, the segregation index does not exceed 0.01), which contributes to the homogenization of solutions of contacting reagents at the microlevel and, as a consequence, ensures the nucleation (nucleation) of nanosized particles and their growth without intense agglomeration. In this case, the duration of micromixing is of the order of 1-5 ms, which corresponds to an estimate of the time of the precipitation reactions. Thus, matching the micromixing time and reaction time makes it possible to ensure the formation of nanosized particles and prevent their agglomeration, i.e. During the mixing time, nucleation and formation of particles with minimum sizes have time to occur, but there is not enough time for the growth and agglomeration of particles, which makes it possible to obtain nanosized particles.
Расходы растворов исходных компонентов могут задаваться такими, чтобы, во-первых, при заданных концентрациях растворах обеспечить стехиометрическое соотношение иттрия и алюминия, и необходимый рН раствора осадителя; во-вторых, расходы растворов исходных компонентов должны обеспечивать условия интенсивного микросмешения, что соответствует скоростям в патрубках не менее 4 м/с.The flow rates of the solutions of the initial components can be set in such a way that, firstly, at the given concentration of the solutions, the stoichiometric ratio of yttrium and aluminum and the required pH of the precipitant solution should be ensured; secondly, the flow rates of the solutions of the initial components must ensure the conditions of intensive micro-mixing, which corresponds to velocities in the nozzles of at least 4 m / s.
Для сравнения приведем суммарные энергетические затраты на получение единицы массы (1 кг) продукта по известному способу и по предлагаемому изобретению.For comparison, we present the total energy costs for obtaining a unit of mass (1 kg) of a product according to a known method and according to the proposed invention.
По известному способу (патент РФ №2137715) производится обжиг смеси, по крайней мере, двух порошков оксида металла или их предшественников в атмосфере, содержащей по крайней мере один газ, выбранный из группы, состоящей из галогенида водорода, компонента, полученного из молекулярного галогена и водяного пара, и молекулярного галогена. Для обжига используется высокотемпературная печь с камерой подачи и циркуляции парогазовой смеси с молекулярным галогеном. Для прогрева исходных компонентов в расчете на 1 кг продукта и массы самой печи требуется мощность порядка 10 кВт. Нагрев порошков и печи в атмосфере газов и пара с молекулярным галогеном осуществляется в течение 24 ч. При этом затрачивается энергия примерно 240 кВт-ч. Большая часть этой энергии теряется в окружающую среду. Полученный продукт представляет собой довольно крупные агломераты иттрий-алюминиевого граната, которые в дальнейшем необходимо перетирать в ступке. Производительность по готовому продукту в известном способе составит 1 кг/сут.According to the known method (RF patent No. 2137715), a mixture of at least two metal oxide powders or their precursors is fired in an atmosphere containing at least one gas selected from the group consisting of a hydrogen halide, a component derived from a molecular halogen and water vapor, and molecular halogen. For firing, a high-temperature furnace with a chamber for feeding and circulating a vapor-gas mixture with molecular halogen is used. To warm up the initial components, per 1 kg of product and the mass of the oven itself, a power of about 10 kW is required. The heating of the powders and the furnace in an atmosphere of gases and steam with molecular halogen is carried out for 24 hours. This consumes about 240 kWh of energy. Most of this energy is lost to the environment. The resulting product represents rather large agglomerates of yttrium-aluminum garnet, which must be ground in a mortar in the future. The productivity of the finished product in the known method will be 1 kg / day.
Заявленный способ характеризуется следующими показателями.The claimed method is characterized by the following indicators.
Работа двух насосов при скорости в тангенциальных патрубках 5 м/с (при этом потребляемая одним насосом мощность - 2,6 Вт, общая мощность насосов 5,2 Вт), на получение 1 кг продукта (при содержании продукта в суспензии 3 г/200 мл) потребуется около 16 минут, за это время работы потребляемая двумя насосами энергия 1,37 Вт-ч (4,93 кДж), затраты на центрифугирование в течение 10 мин - 2,5 кВт-ч, термообработка полученного образца до 1100°С в течение 30 мин - 5 кВт-ч. Итого 7,5 кВт-ч, что в 32 раза меньше, чем по известному способу. Временные затраты на процесс составят 16+10+30=56 минут. Следовательно, производительность по готовому продукту по предлагаемому способу составит 25,7 кг/сут, что в 25,7 раз выше производительности известного способа.The operation of two pumps at a speed in tangential nozzles of 5 m / s (while the power consumed by one pump is 2.6 W, the total power of the pumps is 5.2 W), to obtain 1 kg of product (with a product content in the suspension of 3 g / 200 ml ) it will take about 16 minutes, during this operating time the energy consumed by the two pumps is 1.37 Wh (4.93 kJ), the cost of centrifugation for 10 minutes is 2.5 kWh, the heat treatment of the obtained sample up to 1100 ° C in within 30 minutes - 5 kWh. Total 7.5 kWh, which is 32 times less than the known method. The time spent on the process will be 16 + 10 + 30 = 56 minutes. Consequently, the productivity of the finished product according to the proposed method will be 25.7 kg / day, which is 25.7 times higher than the productivity of the known method.
Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет многократно (в 32 раза) снизить энергетические затраты и увеличить производительность (в 25,7 раз). При использовании печей непрерывного типа возможно дополнительное увеличение производительность за счет сокращения продолжительности стадии термообработки. Это означает, что предлагаемое изобретение может быть использовано в промышленном масштабе производства порошка иттрий-алюминиевого граната.Thus, the use of the claimed invention allows many times (32 times) to reduce energy costs and increase productivity (25.7 times). When using continuous type furnaces, an additional increase in productivity is possible by reducing the duration of the heat treatment stage. This means that the proposed invention can be used on an industrial scale for the production of yttrium-aluminum garnet powder.
Реализация заявленного способа иллюстрируется следующим примером, в котором были осуществлены все стадии заявленного процесса:The implementation of the claimed method is illustrated by the following example, in which all stages of the claimed process were carried out:
1 стадия - приготовление исходных растворов нитратов алюминия и иттрия в воде и раствора аммиака в воде;Stage 1 - preparation of initial solutions of aluminum and yttrium nitrates in water and ammonia solution in water;
2 стадия - смешивание исходных растворов в микрореакторе с закрученными потоками;Stage 2 - mixing the initial solutions in a microreactor with swirling flows;
3 стадия - отделение аморфного осадка от раствора любым известным методом;Stage 3 - separation of the amorphous precipitate from the solution by any known method;
4 стадия - термообработка осадка при температуре до 1100°С в течение 30 минут.Stage 4 - heat treatment of the precipitate at temperatures up to 1100 ° C for 30 minutes.
1 стадия. Для синтеза иттрий-алюминиевого граната по предлагаемому изобретению были использованы следующие реактивы: нитрат алюминия (Ч, Нева Реактив), нитрат иттрия (ХЧ, Ленреактив), водный раствор аммиака (ОСЧ, Сигматек), дистиллированная вода.
2 стадия. Условия синтеза представлены в таблице 1.
Полученные растворы с помощью шестеренных насосов подавали в корпус 1 микрореактора через тангенциальные патрубки 3 и 4 со скоростями 5 м/с (фиг. 1). Давление внутри аппарата не превышало 0,75 атм (изб.) (на входе в патрубки 3 и 4). Микрореактор был выполнен из стекла Пирекс, что позволило наблюдать за ходом процесса. Внутри микрореактора происходила закрутка растворов (наиболее интенсивно - вблизи горловины), что приводило к интенсивному микросмешению, обеспечившему практически гомогенное распределение ионов по активно перемешиваемому объему. В зоне смешения растворов образовывался коллоидный раствор молочного цвета. Образующуюся суспензию собирали в емкость под реактором. Продукты реакции отделяли центрифугированием и промывали водой, после чего сушили в сушильном шкафу при 100°С в течение 12 часов. Затем проводили термообработку полученных порошков при температурах 1100°С, 1200°С и 1250°С, поскольку для формирования кристаллической фазы иттрий-алюминиевого граната требуется дополнительная термообработка продукта (фиг. 3, 4). После нагревания образцов до 1100°С на дифрактограммах наблюдали рефлексы, соответствующие иттрий-алюминиевому гранату. При дальнейшем увеличении температуры происходил рост кристаллов, что выражалось в сужении пиков, а при 1250°С образовывалась примесь оксида алюминия (фиг. 3, 4).The resulting solutions with the help of gear pumps were fed into the
Как показали приведенные выше расчеты, предлагаемый способ позволяет увеличить производительность по готовому продукту в 25,7 раз и снизить энергозатраты в 32 раза по сравнению с известным способом. При этом «мокрый» синтез (проводимый в микрореакторе) ведется при давлении не более 0,75 атм (изб.), при комнатной температуре. Высокотемпературная часть процесса длится не более 30 минут.As shown by the above calculations, the proposed method allows you to increase the productivity of the finished product by 25.7 times and reduce energy consumption by 32 times in comparison with the known method. In this case, "wet" synthesis (carried out in a microreactor) is carried out at a pressure of no more than 0.75 atm (g), at room temperature. The high-temperature part of the process lasts no more than 30 minutes.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет получить порошок иттрий-алюминиевого граната при сниженных (по сравнению с известными техническими решениями) температурах и давлениях, снизить затраты энергии и обеспечить непрерывность процесса с возможностью его осуществления в промышленном масштабе.Thus, the use of the proposed method allows you to obtain powder of yttrium-aluminum garnet at reduced (in comparison with known technical solutions) temperatures and pressures, reduce energy costs and ensure the continuity of the process with the possibility of its implementation on an industrial scale.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021106745A RU2761324C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Method for producing a nanopowder of yttrium aluminium garnet |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021106745A RU2761324C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Method for producing a nanopowder of yttrium aluminium garnet |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2761324C1 true RU2761324C1 (en) | 2021-12-07 |
Family
ID=79174476
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021106745A RU2761324C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Method for producing a nanopowder of yttrium aluminium garnet |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2761324C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2137715C1 (en) * | 1993-08-11 | 1999-09-20 | Сумитомо Кемикал Компани, Лимитед | Complex metal oxide powder, yttrium-aluminum garnet powder (versions), and method for preparing complex metal oxide |
| RU2503754C1 (en) * | 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 | Method of producing yttrium aluminium garnet alloyed with rare earth elements |
| CN104045103A (en) * | 2014-06-24 | 2014-09-17 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | Yttrium aluminium garnet nano-powder and preparation method thereof |
| RU2613994C1 (en) * | 2015-10-01 | 2017-03-22 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Химических Реактивов И Особо Чистых Химических Веществ" | Method for producing alloyed yttrium aluminium garnet |
| RU2699500C1 (en) * | 2018-08-07 | 2019-09-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method of obtaining low-agglomerated high-stoichiometric nano-sized precursor powder based on yttrium-aluminum garnet with cations of rare-earth elements |
| RU2707840C1 (en) * | 2018-08-07 | 2019-11-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method of producing highly stoichiometric nano-sized precursor for synthesis of solid solutions of yttrium-aluminium garnet with rare-earth element oxides |
| RU2721548C1 (en) * | 2019-06-24 | 2020-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Complex method of producing low-agglomerated high-stoichiometric nano-sized precursor powders based on yttrium-aluminium garnet with rare-earth element oxides |
| RU2741733C1 (en) * | 2020-07-29 | 2021-01-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method of producing yttrium-aluminum garnet nanopowder |
-
2021
- 2021-03-15 RU RU2021106745A patent/RU2761324C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2137715C1 (en) * | 1993-08-11 | 1999-09-20 | Сумитомо Кемикал Компани, Лимитед | Complex metal oxide powder, yttrium-aluminum garnet powder (versions), and method for preparing complex metal oxide |
| RU2503754C1 (en) * | 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 | Method of producing yttrium aluminium garnet alloyed with rare earth elements |
| CN104045103A (en) * | 2014-06-24 | 2014-09-17 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | Yttrium aluminium garnet nano-powder and preparation method thereof |
| RU2613994C1 (en) * | 2015-10-01 | 2017-03-22 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Химических Реактивов И Особо Чистых Химических Веществ" | Method for producing alloyed yttrium aluminium garnet |
| RU2699500C1 (en) * | 2018-08-07 | 2019-09-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method of obtaining low-agglomerated high-stoichiometric nano-sized precursor powder based on yttrium-aluminum garnet with cations of rare-earth elements |
| RU2707840C1 (en) * | 2018-08-07 | 2019-11-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method of producing highly stoichiometric nano-sized precursor for synthesis of solid solutions of yttrium-aluminium garnet with rare-earth element oxides |
| RU2721548C1 (en) * | 2019-06-24 | 2020-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Complex method of producing low-agglomerated high-stoichiometric nano-sized precursor powders based on yttrium-aluminium garnet with rare-earth element oxides |
| RU2741733C1 (en) * | 2020-07-29 | 2021-01-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method of producing yttrium-aluminum garnet nanopowder |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Loghman-Estarki et al. | Comparative studies on synthesis of nanocrystalline Sc 2 O 3–Y 2 O 3 doped zirconia (SYDZ) and YSZ solid solution via modified and classic Pechini method | |
| Ziva et al. | Recent progress on the production of aluminum oxide (Al2O3) nanoparticles: A review | |
| CN102030352B (en) | Method for preparing nano material | |
| Dhmees et al. | Preparation and characterization of nano SiO2@ CeO2 extracted from blast furnace slag and uranium extraction waste for wastewater treatment | |
| Guo et al. | Preparation of Nano-ZrO2 powder via a microwave-assisted hydrothermal method | |
| CN112266730B (en) | Preparation method of fluorinated cerium dioxide polishing powder under microwave condition | |
| CN106458623A (en) | Method and apparatus for producing alumina monohydrate and sol gel abrasive grain | |
| EP1561508A1 (en) | Inorganic fine particles, inorganic raw material powder, and method for production thereof | |
| RU2625981C1 (en) | Method of producing nanopowder of cobalt ferrite and microreactor to this end | |
| CN100543110C (en) | The oxalic acid non-homogeneous phase deposition prepares the method for rare earth doping yttrium aluminium garnet fluorescent powder | |
| Loghman-Estarki et al. | Large scale synthesis of non-transformable tetragonal Sc2O3, Y2O3 doped ZrO2 nanopowders via the citric acid based gel method to obtain plasma sprayed coating | |
| CA2634226A1 (en) | Methods for production of metal oxide nano particles with controlled properties, and nano particles and preparations produced thereby | |
| CN104528787B (en) | A kind of method preparing fine grain size alumina powder | |
| CN102583472A (en) | Method for preparing pseudo-boehmite with different crystallinity degrees | |
| Voon et al. | Synthesis and preparation of metal oxide powders | |
| Kafili et al. | A comparative approach to synthesis and sintering of alumina/yttria nanocomposite powders using different precipitants | |
| Ashiri | Obtaining a novel crystalline/amorphous core/shell structure in barium titanate nanocrystals by an innovative one-step approach | |
| Arafati et al. | Synthesis and characterization of tetragonal/monoclinic mixed phases nanozirconia powders | |
| RU2761324C1 (en) | Method for producing a nanopowder of yttrium aluminium garnet | |
| RU2538585C2 (en) | Method of obtaining nanodisperse metal oxides | |
| RU2741733C1 (en) | Method of producing yttrium-aluminum garnet nanopowder | |
| Altiner et al. | Preparation of periclase (MgO) nanoparticles from dolomite by pyrohydrolysis–calcination processes | |
| Haq et al. | Characterization of monodispersed γ-Al2O3 particles, synthesized by homogeneous precipitation under reflux boiling | |
| Li et al. | Controllable synthesis of polyhedral YF 3 microcrystals via a potassium sodium tartrate-assisted hydrothermal route | |
| CN109574050B (en) | Preparation of aluminum ammonium carbonate with ultrahigh specific surface area and method for preparing aluminum oxide by thermal decomposition of aluminum ammonium carbonate |