專利名稱：分步沉淀法制備yag納米粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種YAG納米粉體的制備方法，更確切地說本發(fā)明是采用分步沉淀的方法制備YAG納米粉體，該粉體可用于透明陶瓷的制備。屬于透明陶瓷的制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1995 年，日本科學(xué)家 A. Ikesue [A. Ikesue, T. Kinoshita, and K. Kamata,Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalIineNd: YAGceramics for solid-state lasers, J. Am. Ceramic. Soc. , 1995, 78 (4), 1033.]制備出高質(zhì)量的Nd:YAG透明陶瓷，并首次實(shí)現(xiàn)透明陶瓷的激光輸出，同時研制出世界上第一臺NdiYAG陶瓷激光器。與傳統(tǒng)的激光器增益介質(zhì)晶體和玻璃相比，透明陶瓷具有制備簡單，摻雜濃度高，易實(shí)現(xiàn)大尺寸等綜合優(yōu)勢。激光透明陶瓷的成功制備，大大促進(jìn)了光學(xué)透明陶瓷的發(fā)展。1998年，日本神島化學(xué)公司成功采用納米粉體技術(shù)和真空燒結(jié)方法制備出YAG 透明陶瓷[T. Yanagitani, H. Yagi, and M. Ichikawa, Japanese patent, 1998,10-101333.，T. Yanagitani, H. Yagi, and Y Hiro, Japanese patent, 1998,10-101411. ]。2000 年，米用該方法制備出的Nd = YAG透明陶瓷成功實(shí)現(xiàn)透明陶瓷的高效激光輸出[J. Lu，M. Prabhu, andJ. Xu, Highly efficient 2% Nd:yttrium aluminum garnet ceramic laser, Appl. Phys.Lett.，2000，77 (23)，3707-3709.]。此后，基于這一技術(shù)，日本的神島化學(xué)公司、日本電氣通信大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院的晶體研究所等聯(lián)合開發(fā)出一系列二極管泵浦的高功率和高效率固體激光器，激光輸出功率從31W提高到72W、88W和I. 46KW，光-光轉(zhuǎn)化效率從14. 5%提高到 28. 8%、30%和 42%。從目前已有的文獻(xiàn)和專利分析，納米粉體技術(shù)結(jié)合真空燒結(jié)方法具備較明顯的優(yōu)勢。其中納米粉體的制備是采用共沉淀的方法，前期的研究結(jié)果顯示，氧化鋁前驅(qū)體和氧化釔前驅(qū)體的適宜制備條件不同，而且存在較大的差異，因此本發(fā)明嘗試采用分步沉淀的方法制備YAG納米粉體。與傳統(tǒng)的共沉淀法相比，該方法制得的納米粉體具備更高的燒結(jié)活性，可制備出更高質(zhì)量的透明陶瓷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種分步沉淀法制備YAG納米粉體的方法，可制得較高燒結(jié)活性的納米粉體。本發(fā)明是這樣實(shí)施的采用Al (NO)3和Y(NO3)3為原料，以NH4HCO3作為沉淀劑，原料和沉淀劑的純度均為分析純。先按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料并稀釋成所需濃度的溶液，其二，采用分步沉淀法，制備一種鋁離子或釔離子金屬離子的沉淀物，經(jīng)過水洗和陳化后，將制得的沉淀物均勻分散在另一種金屬離子的溶液中充分?jǐn)嚢韬蠹尤氤恋韯┤芤盒纬蓱腋∫?，得到混合沉淀，再?jīng)陳化、水洗、醇洗和干燥后得到Y(jié)AG前驅(qū)體。最后將該前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，即得到Y(jié)AG納米粉體。本發(fā)明提供的YAG透明陶瓷的制備工藝，如圖I所示，其特征在于
(I)采用分步沉淀的方法，先沉淀一種金屬離子，后將先得到的沉淀物分散于另一種金屬離子溶液中，再加入沉淀劑，得到沉淀混合物，即YAG前驅(qū)體。該前驅(qū)體經(jīng)干燥煅燒后即可得到Y(jié)AG納米粉體。(2)所述的Al或Y的金屬離子溶液的濃度為0. 1-2. 0M。(3)所述的沉淀劑的濃度為0. 1-2. OM ;沉淀劑為NH4HC03。
本發(fā)明提供的YAG透明陶瓷的制備工藝的特點(diǎn)是(I)區(qū)別于共沉淀法，本發(fā)明采用分步沉淀法制備YAG納米粉體。(2)可獲得與共沉淀工藝相當(dāng)?shù)慕M分混合均勻性。(3)制得YAG粉體的燒結(jié)活性較高。本發(fā)明提供了一種分步沉淀法制備YAG納米粉體的方法，其特征在于采用分析純Al (NO)3, Y(NO3)3為原料以NH4HCO3為沉淀劑，首先采用反滴工藝，制取氧化鋁前驅(qū)體，然后將制得的氧化鋁前驅(qū)體分散在Y(NO3)3溶液中形成懸濁體系，待懸濁體系均勻分散后，逐滴加入NH4HCO3溶液，將得到的沉淀物分別水洗，醇洗三次，再經(jīng)干燥后即得到Y(jié)AG前驅(qū)體。然后煅燒該前驅(qū)體，得到Y(jié)AG納米粉體。反之亦然，先制取氧化釔前驅(qū)體，然后制取YAG前驅(qū)體，由前驅(qū)體1050°C煅燒所制得的納米YAG粉體制備成YAG塊體材料具有良好的透光性。


圖I實(shí)施例I中制備YAG納米粉體的工藝流程；圖2實(shí)施例I中制備的YAG前驅(qū)體的XRD相變結(jié)果；圖3實(shí)施例I中制備的YAG納米粉體的FESEM形貌；圖4實(shí)施例I中制備的YAG陶瓷的透過率曲線；圖5實(shí)施例I中制備的YAG陶瓷的實(shí)物照片；圖6實(shí)施例2中制備YAG納米粉體的工藝流程；圖7實(shí)施例2中制備的YAG前驅(qū)體的XRD相變結(jié)果；圖8實(shí)施例2中制備的YAG納米粉體的FESEM形貌；圖9實(shí)施例2中制備的YAG陶瓷的實(shí)物照片；圖10對比例I中制備YAG納米粉體的工藝流程；圖11對比例I中制備的YAG前驅(qū)體的XRD相變結(jié)果；圖12對比例I中制備的YAG納米粉體的FESEM形貌；圖13對比例I中制備的YAG陶瓷的實(shí)物照片；圖14對比例2中制備YAG納米粉體的工藝流程；圖15對比例2中制備的YAG前驅(qū)體的XRD相變結(jié)果；圖16對比例2中制備的YAG納米粉體的FESEM形貌；圖17對比例2中制備的YAG陶瓷的透過率曲線；圖18對比例2中制備的YAG陶瓷的實(shí)物照片。
具體實(shí)施例方式用下列非限定性實(shí)施例進(jìn)一步說明實(shí)施方式及效果實(shí)施例I
按照圖I所示的工藝流程，分別取用19. 93g Y (NO3) 3溶液，33. 94gAl (NO3) 3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液為原料。首先稀釋溶液，向33. 94gAl (NO3) 3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液中加入去離子水分別至350mL，400ml和420mL。然后再將Al (NO3)3溶液以0. 5-1. 5mL/min的速度加入到400ml的NH4HCO3溶液中，形成Al離子的沉淀物。第三步是將得到的沉淀陳化24h，再用去離子水洗兩次，第四步是將Y(NO3) 3溶液加入到第三步經(jīng)去離子水清洗的沉淀中，后充分?jǐn)嚢璺稚⑿纬蓱腋∫?，第五步是將稀釋?20mlNH4HC03溶液以以0. 5-1. 5mL/min的速度加入到包含沉淀物與Y (NO3) 3溶液組成的懸浮液中，即可制得混合沉淀，最后經(jīng)陳化24h，并分別用去離子水和無水乙醇洗三次，可制得YAG前驅(qū)體。該前驅(qū)體經(jīng)煅燒，干燥后可制得YAG納米粉體。將煅燒后粉體過200目篩，在鋼模中采用IOOMPa的壓力預(yù)壓得到素坯，再將素坯進(jìn)行200MPa等靜壓處理。將等靜壓處理后的素坯在真空條件下燒結(jié)，溫度1750°C，保溫時間20h。將真空燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛下退火，溫度1450°C，時間10h。根據(jù)圖2中的結(jié)果，前驅(qū)體經(jīng)1050°C煅燒可得到Y(jié)AG粉體。圖3是制得的YAG粉體的透射電鏡形貌。從圖3中可以看出，粉體分散性較好，顆粒尺寸為200nm-500nm。圖4 為樣品的透過率曲線。從圖4中可以看出，制得樣品的透過率在IIOOnm處可達(dá)66%，在可見光區(qū)域的透過率約為60%。圖5為制得樣品的實(shí)物照片，從圖5中可以看出，采用分步沉淀法制得的粉體燒結(jié)出的樣品具備較好的透光性能。實(shí)施例2按照圖6所示的工藝流程，分別取用19. 93g Y (NO3) 3溶液，33. 94g Al (NO3)3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液為原料。首先稀釋溶液，向199. 3gY (NO3)3溶液，Al (NO3)3溶液和66. 92g NH4HCO3溶液中加入去離子水分別至210mL，350ml和400mL。然后將400mL溶液以lmL/min的速度加入Y (NO3) 3溶液中。后將得到的沉淀陳化24h，再用去離子水洗兩次，然后將順4110)3溶液加入制得的沉淀中，后充分?jǐn)嚢璺稚?，然后?50ml Al (NO3) 3溶液以lmL/min的速度加入到包含沉淀與NH4HCO3溶液的懸濁液中，即可制得混合沉淀，然后經(jīng)陳化24h，并分別用去離子水和無水乙醇洗三次，可制得YAG前驅(qū)體。該前驅(qū)體經(jīng)煅燒，干燥后制得YAG納米粉體。將煅燒后粉體過200目篩，在鋼模中采用IOOMPa的壓力預(yù)壓得到素坯，再將素坯進(jìn)行200MPa等靜壓處理。將等靜壓處理后的素坯在真空條件下燒結(jié)，溫度1750°C，保溫時間20h。將真空燒結(jié)后的樣品在空氣氣氛下退火，溫度1450°C，時間10h。根據(jù)圖7中的結(jié)果，前驅(qū)體經(jīng)1350°C煅燒可得到Y(jié)AG粉體。圖8是制得的YAG粉體的透射電鏡形貌。從圖8中可以看出，顆粒尺寸為200nm-300nm。圖9為制得樣品的實(shí)物照片(未拋光)，從圖9中可以看出，采用分步沉淀法制得的粉體燒結(jié)出的樣品具備較好的透光性能。實(shí)施例I和2，隨僅給出一種濃度的金屬離子和一種沉淀劑濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但如按金屬離子濃度0. 1-2. OM和沉淀劑濃度0. 1-2. OM均能獲得如實(shí)施例I和2的相類似結(jié)果。為更說明本發(fā)明提供的分步沉淀的效果，擬提供對比例I (正滴共沉淀)和對比例2 (反滴共沉淀)制備納米YAG粉體的特征，以進(jìn)一步表明本發(fā)明的效果。對比例I圖10為正滴共沉淀法制備YAG納米粉體的工藝流程。按照圖10所示的工藝流程，分別取36. 22mL Y (NO3) 3溶液和89. 02ml Al (NO3) 3溶液，轉(zhuǎn)入燒杯中，加去離子水至500mL，稱取118. 58gNH4HC03，溶于去離子水中，并加去離子水至1000mL。然后將NH4HCO3溶液以lmL/min的速度加入金屬離子溶液中。將得到的沉淀陳化24h后，分別用去離子水和無水乙醇洗三次，再經(jīng)干燥可制得YAG前驅(qū)體。前驅(qū)體經(jīng)煅燒可制得YAG粉體。YAG陶瓷的成型及燒結(jié)條件與實(shí)施例I相同。根據(jù)圖11中的結(jié)果，前驅(qū)體經(jīng)900°C煅燒可得到Y(jié)AG粉體。圖12是制得的YAG粉體的透射電鏡形貌。從圖12中可以看出，粉體分散性較差，粉體中存在嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。顆粒存在兩種尺寸，一種為500nm左右，另一種小于lOOnm。圖13為制得樣品的實(shí)物照片，從圖13中可以看出，采用正滴共沉淀法制得的粉體 的燒結(jié)性能較差。對比例2圖14為反滴共沉淀法制備YAG納米粉體的工藝流程。按照圖14所示的工藝流程，分別取36. 22mLY (NO3) 3溶液和89. 02mlAl (NO3) 3溶液，轉(zhuǎn)入燒杯中，加去離子水至500mL，稱取118. 58gNH4HC03，溶于去離子水中，并加去離子水至1000mL。然后將金屬離子溶液以ImL/min的速度加入NH4HCO3溶液中。將得到的沉淀陳化24h后，分別用去離子水和無水乙醇洗三次，再經(jīng)干燥可制得YAG前驅(qū)體。前驅(qū)體經(jīng)煅燒可制得YAG粉體。YAG陶瓷的成型及燒結(jié)條件與實(shí)施例I相同。根據(jù)圖15中的結(jié)果，前驅(qū)體經(jīng)1050°C煅燒可得到Y(jié)AG粉體。圖16是制得的YAG粉體的透射電鏡形貌。從圖16中可以看出，粉體分散性尚可，顆粒尺寸為IOOnm左右。圖17為樣品的透過率曲線。從圖17中可以看出，制得樣品的透過率在IlOOnm處只有15%左右，在可見光區(qū)域的透過率約為15-20%。圖18為制得樣品的實(shí)物照片，從圖18中可以看出，采用反滴共沉淀法制得的粉體的燒結(jié)性能尚可，制備出的YAG陶瓷具備一定的透光性能，但與實(shí)施例I相比存在較大的差距。
權(quán)利要求
1.一種YAG納米粉體的制備方法，其特征在于采用分步沉淀的方法，先沉淀一種金屬離子，后將先得到的沉淀物分散于另一種金屬離子溶液中，再加入沉淀劑，得到沉淀混合物，即YAG前驅(qū)體；所得的YAG前驅(qū)體經(jīng)煅燒后即可得到Y(jié)AG納米粉體。
2.按權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于采用Al(NO3)3和Y(NO3)3為原料，以NH4HCO3作為沉淀劑，先按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料并稀釋成所需濃度的溶液，其二采用分步沉淀法先制備一種鋁離子或釔離子金屬離子的沉淀物，經(jīng)過水洗和陳化后，將制得的沉淀物均勻分散在另一種金屬離子的溶液中充分?jǐn)嚢韬蠹尤氤恋韯┤芤盒纬蓱腋∫海玫交旌铣恋?，再?jīng)陳化、水洗、醇洗和干燥后得到Y(jié)AG前驅(qū)體；最后將該前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，即得到Y(jié)AG納米粉體。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的金屬離子溶液濃度為O.1-2. 0M。
4.按權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的沉淀劑濃度為O.1-2. 0M。
5.按權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于所述的原料和沉淀劑的純度為分析純。
6.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于采用分步沉淀法是將Al(NO3) 3或Y (NO3) 3溶液以O(shè). 5-1. 5ml/min的速度加入到NH4HCO3溶液中的。
7.按權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于前驅(qū)體煅燒的溫度為1050°C。
8.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于煅燒后所得的YAG粉體顆粒尺寸200-500nm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種分步沉淀法制備YAG納米粉體的方法，其特征在于采用分析純Al(NO)3，Y(NO3)3為原料以NH4HCO3為沉淀劑，首先采用反滴工藝，制取氧化鋁前驅(qū)體，然后將制得的氧化鋁前驅(qū)體分散在Y(NO3)3溶液中形成懸濁體系，待懸濁體系均勻分散后，逐滴加入NH4HCO3溶液，將得到的沉淀物分別水洗，醇洗三次，再經(jīng)干燥后即得到Y(jié)AG前驅(qū)體。然后煅燒該前驅(qū)體，得到Y(jié)AG納米粉體。反之亦然，先制取氧化釔前驅(qū)體，然后制取YAG前驅(qū)體，由前驅(qū)體1050℃煅燒所制得的納米YAG粉體制備成YAG塊體材料具有良好的透光性。
文檔編號C04B35/44GK102701722SQ201210038510
公開日2012年10月3日 申請日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者寇華敏, 潘裕柏, 王亮, 石云, 郭景坤 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所