釔鋁石榴石納米粉的製備方法

2023-06-15 13:59:56 1

專利名稱：釔鋁石榴石納米粉的製備方法
技術領域：
本發明涉及釔鋁石榴石(以下簡稱YAG)納米粉的製備，尤其是YAG前驅物粉體的燒結方法。
背景技術：
YAG透明陶瓷和YAG單晶相比，因為具有易製備、低成本、大尺寸、可大批量生產的特點，被廣泛應用於固體雷射介質材料、高溫結構部件和高溫紅外探測用窗口等領域。製備高性能的YAG透明陶瓷，需要性能優異的YAG粉體，要求粉體有高的相純度，顆粒尺寸在納米級，大小均一併無團聚，而所有這些性能都與粉體的燒結方法密切相關。
傳統製備YAG納米粉常採用固相反應法，是將Al2O3和Y2O3粉按化學計量比混合，在1600℃下長時間的煅燒得到的，YAG相的形成要經過一系列的如下反應(1)(YAM，900～1100℃)；(2)(YAP，1100～1250℃)；(3)(YAG，1400～1600℃)。
最終製得的YAG粉體顆粒粗大，團聚嚴重，還有過渡相存在，不利於製備性能優良的YAG陶瓷，因而需要發展新的YAG粉體製備方法。
共沉澱法是製備陶瓷粉體的常用方法，其優點是各種成分可以均勻混合，因為前驅物的製備條件和燒結方法對最終顆粒的尺寸、團聚狀況以及相的純度有著重要的影響，所以探索合適的製備條件和燒結方法有很實際的意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種YAG納米粉的製備方法，要求所製得的YAG納米粉顆粒大小均勻，無團聚，粒徑在60～100nm，無過渡相存在，獲得性能優良的YAG納米粉的陶瓷原料。
本發明的技術解決方案如下①配製YAG納米粉的原料溶液Al(NO3)3溶液、Y(NO3)3溶液和NH4HCO3溶液，按Y3+、Al3+離子在YAG中的化學計量比量取相應體積的Al(NO3)3溶液和Y(NO3)3溶液，混合均勻形成混合溶液，量取≥1.6倍於混合溶液體積的NH4HCO3溶液備用；②將所述的混合溶液以≤3毫升/分鐘的速度滴加到所述的NH4HCO3溶液中，同時進行充分的攪拌，然後陳化形成沉澱液；③將所得的沉澱液進行真空抽濾，在抽濾的同時用去離子水衝洗至少4次，乙醇衝洗至少2次；④將抽濾後所得白色沉澱在低溫20-50℃進行長時間乾燥，再在剛玉研缽中進行研磨獲得粉體；⑤將所得的粉體轉移到帶蓋子的剛玉坩鍋中，然後置於矽炭棒電爐內，在空氣氣氛中先以200～300℃/小時的升溫速率從室溫升至850℃，並需分別在各吸熱峰對應溫度130℃和200℃下各保溫0.5～1小時，然後以50～100℃/小時的升溫速率升至晶化溫度，並在該晶化反應的初始和終結溫度940±50℃各保溫1-2小時，最後緩慢降至室溫；⑥將燒結所得粉體轉移至剛玉研缽中進行仔細研磨，得到所需的YAG納米粉體。
所述的原料溶液及濃度如下原料組分摩爾濃度Al(NO3)3溶液 0.25～0.30Y(NO3)3溶液 為Al(NO3)3溶液濃度的0.6倍NH4HCO3溶液 1.20～1.50按1∶1的體積比量取Al(NO3)3和Y(NO3)3溶液，混合均勻形成混合溶液，量取≥3.2倍於Al(NO3)3溶液體積的NH4HCO3溶液備用。
所述的的混合溶液以≤3毫升/分鐘的速度滴加到所述的NH4HCO3溶液時，沉澱體系的pH應大於7.8。
本發明的技術效果在前驅物的製備過程中，由於限定滴加速度≤3ml/min，使沉澱體系的pH始終大於7.8，確保Y3+、Al3+分別以Y2(CO3)3、NH4Al(OH)2CO3的形式沉澱，從而降低了最終粉體的燒結溫度；在前驅物的乾燥過程中，採用在低溫下長時間乾燥的方法，使洗滌過程中殘餘的乙醇及微量的水分等揮發性物質可以自然蒸發，從而減弱毛細管作用力，抑制前驅物顆粒間的軟團聚發展為硬團聚，使燒結粉末的分散性大大改善；在前驅物的燒結過程中，生成YAG多晶的相轉變溫度區間通常為晶化溫度±50℃，通過在晶化反應的終始溫度分別保溫，並升溫速率為50-100℃/h，從而使過渡相轉變為YAG相，保證了最終粉體相的純度。
經實驗證明本發明所得的YAG納米粉體，顆粒大小均勻無團聚，無過渡相存在，說明該納米粉可以作為一種良好的陶瓷原料。


圖1為本發明實施例製備的YAG納米粉前驅物的TG/DSC曲線圖；圖2為本發明實施例製備的YAG納米粉的XRD圖；具體實施方式
下面結合實施例和比較例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
實施例1本發明YAG納米粉的製備方法，包括下列步驟①按下列濃度配製YAG納米粉的原料溶液
原料組分 摩爾濃度(mol/l)Al(NO3)3溶液0.25～0.30Y(NO3)3溶液 為Al(NO3)3溶液濃度的0.6倍NH4HCO3溶液 1.20～1.50根據需要，按1∶1的體積比，量取Al(NO3)3和Y(NO3)3溶液混合均勻形成混合溶液，量取≥3.2倍於Al(NO3)3溶液體積的NH4HCO3溶液備用；②將所述的混合溶液以≤3ml/min的速度滴加到所述的NH4HCO3溶液中，同時進行充分的攪拌，滴加完成後2小時停止攪拌，然後陳化12小時，沉澱體系的pH應大於7.8，形成沉澱液；③將所得的沉澱液進行真空抽濾，在抽濾的同時用去離子水衝洗4次，乙醇衝洗2次；④將抽濾後所得白色沉澱在低溫在30℃乾燥48小時，再在剛玉研缽中進行研磨獲得粉體；⑤將所得的粉體轉移到帶蓋子的剛玉坩鍋中，然後置於矽炭棒電爐內，在空氣氣氛中以250℃/h的速度升溫至850℃，其中分別在130℃和200℃各保溫0.5小時；再以100℃/h的速度從850℃升溫至1000℃，並分別在900℃和1000℃各保溫1h；最後以100℃/h的速度降至室溫；⑥將燒結所得粉體轉移至剛玉研缽中進行仔細研磨，得到所需的YAG納米粉體。
對本實施例納米粉的測試結果如下本發明實施例製備的YAG納米粉前驅物的TG/DSC曲線圖如圖1所示，XRD圖如圖2所示。粉體顆粒大小均勻無團聚，尺寸約為70nm，近似呈橢球型，無過渡相存在。說明該納米粉可以作為一種良好的製備透明陶瓷的原料。
實施例2至實施例8的製備工藝與實施例1基本相同，其工藝參數如下表1所示表1.YAG納米粉的製備條件

☆分散性由透射電鏡(TEM)觀察確定☆粒徑由謝萊公式計算確定比較例傳統製備YAG納米粉常採用固相反應法，具體包括如下步驟①根據反應式確定各原料的化學計量，並嚴格稱量；②將稱量的Y2O3、Al2O3粉混合，加入分析純的TEOS(矽酸乙酯)作為添加劑，含量為0.5％，以濃度為95％的乙醇作研磨介質，高純ZrO2球作研磨體，進行溼磨；③將溼磨好的粉體在120℃下乾燥5h；④將乾燥後的粉料裝在石英舟裡，於流動的氧氣氣氛中1600℃煅燒5h；⑤將燒結好的粉體進行仔細的研磨，得到YAG超細粉體。
由於固相反應無法避免粉體原料微區均勻性差和化學配比失配的問題，即使在較高的燒結溫度和較長的保溫時間下，YAG粉體仍然有少量的過渡相存在，並且粉體顆粒粗大，尺寸在1～2μm之間，還有明顯的團聚。說明該粉體不適合作為製備透明陶瓷的原料。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者進行等同替換，而未脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種YAG納米粉的製備方法，其特徵在於該方法包括下列步驟①配製YAG納米粉的原料溶液Al(NO3)3溶液、Y(NO3)3溶液和NH4HCO3溶液，按Y3+、Al3+離子在YAG中的化學計量比量取相應體積的Al(NO3)3溶液和Y(NO3)3溶液，混合均勻形成混合溶液，量取≥1.6倍於混合溶液體積的NH4HCO3溶液備用；②將所述的混合溶液以≤3毫升/分鐘的速度滴加到所述的NH4HCO3溶液中，同時進行充分的攪拌，然後陳化形成沉澱液；③將所得的沉澱液進行真空抽濾，在抽濾的同時用去離子水衝洗至少4次，乙醇衝洗至少2次；④將抽濾後所得白色沉澱在低溫20-50℃進行長時間乾燥，再在剛玉研缽中進行研磨獲得粉體；⑤將所得的粉體轉移到帶蓋子的剛玉坩鍋中，然後置於矽炭棒電爐內，在空氣氣氛中先以200～300℃/小時的升溫速率從室溫升至850℃，並需分別在各吸熱峰對應溫度130℃和200℃下各保溫0.5～1小時，然後以50～100℃/小時的升溫速率升至晶化溫度，並在該晶化反應的初始和終結溫度940±50℃各保溫1-2小時，最後緩慢降至室溫；⑥將燒結所得粉體轉移至剛玉研缽中進行仔細研磨，得到所需的YAG納米粉體。
2.根據權利要求1所述的YAG納米粉的製備方法，其特徵在於所述的原料溶液及濃度如下原料組分 摩爾濃度Al(NO3)3溶液 0.25～0.30Y(NO3)3溶液 為Al(NO3)3溶液濃度的0.6倍NH4HCO3溶液 1.20～1.50按1∶1的體積比量取Al(NO3)3和Y(NO3)3溶液，混合均勻形成混合溶液，量取≥3.2倍於Al(NO3)3溶液體積的NH4HCO3溶液備用。
3.根據權利要求1或2所述的YAG納米粉的製備方法，其特徵在於所述的的混合溶液以≤3毫升/分鐘的速度滴加到所述的NH4HCO3溶液時，沉澱體系的pH應大於7.8。
全文摘要
一種YAG納米粉的製備方法，包括下列步驟配製原料溶液；將Al(NO
文檔編號C01F7/02GK1792805SQ200510110760
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月25日 優先權日2005年11月25日
發明者趙郝炎, 胡麗麗, 孫洪濤, 廖梅松 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所