專利名稱：一種摻釹釔鋁石榴石納米粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種摻釹釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，涉及一種多組分鹽溶液與沉淀劑溶液在微管道中連續(xù)高速流動(dòng)混合后發(fā)生快速沉淀反應(yīng)，制備出前驅(qū)體，此后再進(jìn)一步進(jìn)行煅燒獲得Nd: YAG納米粉體，主要應(yīng)用于激光透明陶瓷制備。
背景技術(shù)：
釔鋁石榴石單晶屬于等軸晶系，具有光學(xué)均勻性，無雙折射效應(yīng)，是一種性能優(yōu)良的激光介質(zhì)材料，但是單晶生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，成本昂貴，而且很難獲得高品質(zhì)、大尺寸的晶體；同時(shí)由于分凝作用，摻雜激活離子一稀土離子的濃度不能太高，影響激光轉(zhuǎn)換效率的提高。而多晶Nd:YAG透明陶瓷由于在制備技術(shù)和材料等方面具有單晶激光材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)， 必將得到廣泛的關(guān)注從而成為Nd:YAG晶體極具潛力的替代物。Nd:YAG透明陶瓷的制備對(duì)粉體的要求極為嚴(yán)格，無論是作為粉體直接應(yīng)用還是制作陶瓷塊體材料，都要求粉體純度高、各離子組分摻雜比較均勻、無團(tuán)聚、燒結(jié)活性高。傳統(tǒng)合成Nd:YAG粉體主要是固相法，目前所報(bào)道的固相反應(yīng)法[吳建鵬，曹麗云，黃劍鋒等.一種固相反應(yīng)制備YAG透明陶瓷粉體的方法CN 101486574A. 2009-07-22]通常需要較高的反應(yīng)溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，而且固相法在制備過程中各離子組分摻雜不均勻，容易出現(xiàn)中間相，難以制備出均相和高燒結(jié)活性的粉體。化學(xué)沉淀法是現(xiàn)在使用最普遍的一種制備 Nd: YAG粉體的濕化學(xué)方法，但是傳統(tǒng)滴加加料的化學(xué)沉淀法，鹽溶液與沉淀劑混合時(shí)的液滴大，溶液接觸時(shí)在微觀上產(chǎn)生較大濃度梯度，而且溶液中Y3+，Al3+的溶度積的不同，所以很難使前軀體中的多種離子同時(shí)沉淀并形成均勻分布，從而直接影響獲得Nd:YAG純相粉體以及后期透明陶瓷的光學(xué)均勻性。另外雖然過去微通道尺寸反應(yīng)器已經(jīng)用于液相與液相之間的反應(yīng)，但一般很少用于制備固體物質(zhì)，這主要是由于反應(yīng)生成的固體很容易堵塞微通道，從而無法進(jìn)行連續(xù)的反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有化學(xué)沉淀法用于多組分反應(yīng)容易由于濃度梯度和溶劑差造成偏析，從而導(dǎo)致微觀組分不均勻的問題，提供一種摻釹釔鋁石榴石納米粉體的制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)步驟實(shí)現(xiàn)的。一種摻釹釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，依次包括如下步驟
a.將原料按照Ndx3+:Y3_x3+: Al53+的比例以無機(jī)鹽溶液的形式混合，其中X的范圍為
1% 4%。b.混合鹽溶液在一定的溫度下與沉淀劑溶液均勻混合反應(yīng)。c.沉淀物經(jīng)陳化、洗滌、干燥后得到前驅(qū)體。d.前驅(qū)體在900°C 1200°C下進(jìn)行煅燒得到Nd = YAG納米粉體。
上述合成NchYAG納米粉體的方法中，步驟a所述的無機(jī)鹽溶液為鹽酸鹽、硝酸鹽或者硫酸鹽，且Y3+和Al3+濃度范圍分別為O. 06 O. 3mol/L和O. I O. 5mol/L。上述合成NchYAG納米粉體的方法中，步驟b中所述的沉淀劑為碳酸氫銨、尿素、碳酸銨或者氨水，且沉淀劑的用量是過量的。上述合成NchYAG納米粉體的方法中，采用尿素為沉淀劑時(shí)，必須將反應(yīng)溫度提升至80°C以上。上述合成NchYAG納米粉體的方法中，步驟b中所述的鹽溶液與沉淀劑溶液之間的均勻混合過程是通過各組分液體在壓力驅(qū)動(dòng)下，在微尺寸管道內(nèi)高速流動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)的。微尺寸管道的直徑范圍為O. 2mm I. Omm,連續(xù)細(xì)流的流速范圍為lmm/s 1000mm/s。普通沉淀法用于多組分體系很容易偏析造成沉淀物微觀組分不均勻，并在煅燒過程中形成雜質(zhì)晶相。本發(fā)明采用微通道內(nèi)微流體高速流動(dòng)下進(jìn)行均勻混合的方法，可以減小并消除多組分鹽溶液和沉淀劑混合過程中產(chǎn)生的濃度梯度，從而實(shí)現(xiàn)各離子組分的同時(shí)沉淀和均勻分布。另外本發(fā)明中采用壓力驅(qū)動(dòng)方法使流體處于高速流動(dòng)狀態(tài)，且所制備的固體前驅(qū)體物質(zhì)為納米粒子，在合適的濃度下能夠?qū)崿F(xiàn)完全不堵塞，因而在工藝上可以連續(xù)化和批
量化生產(chǎn)。


圖I是微反應(yīng)體系示意圖2是按實(shí)施例I, 2，3，4，5分別制取的NdiYAG粉體的XRD曲線對(duì)比圖3是按實(shí)施例4制取的Nd = YAG粉體的SEM照片；
圖4是按實(shí)施例5制取的Nd = YAG粉體的SEM照片；
圖中，I.高壓泵、2.高壓泵，3儲(chǔ)液瓶、4儲(chǔ)液瓶，5.微反應(yīng)器，6.溫度控制器，7.物料收集器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。本發(fā)明是通過多組分鹽溶液(Nd3+，Y3+，Al3+)與沉淀劑溶液在微管道中連續(xù)高速流動(dòng)混合后發(fā)生快速沉淀反應(yīng)，將得到的沉淀物陳化、洗滌、干燥，然后進(jìn)行煅燒獲得 Nd: YAG納米粉體。微反應(yīng)體系示意圖見圖1，具體步驟如下
實(shí)施例I
溶液的制備把Nd2O3溶于稀硝酸中，YCljP Al (NO3)3溶于去離子水中。將這三種溶液按照金屬離子摩爾比O. 03Nd3+:2. 97Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的濃度分別為
O.003mol/L，0. 297mol/L 和 O. 5mol/L。氨水用去離子水以 1:10 稀釋。反應(yīng)鹽溶液和沉淀劑溶液通過直徑為O. 4mm的微管道進(jìn)行連續(xù)高速流動(dòng)混合后發(fā)生快速沉淀反應(yīng)，過程中鹽溶液和沉淀劑溶液的流速分別為lOmm/s和125mm/s。將得到的沉淀物陳化、洗滌、干燥，然后在馬弗爐中于900°C煅燒，保溫4h，得到粉體樣品。X射線衍射結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)得到的樣品為單相Nd:YAG納米粉體(見圖2中曲線a)。實(shí)施例2溶液的制備把Nd2O3溶于稀鹽酸中，YCl3和Al2 (SO4) 3溶于去離子水中，將這三種溶液按照金屬離子摩爾比O. 03Nd3+:2. 97Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的濃度分別為
O.003mol/L,0. 297mol/L和O. 5mol/L。碳酸銨用去離子水配制成濃度為O. 5mol/L的溶液。反應(yīng)鹽溶液和沉淀劑溶液通過直徑為O. 6mm的微管道進(jìn)行連續(xù)高速流動(dòng)混合后發(fā)生快速沉淀反應(yīng)，過程中鹽溶液和沉淀劑溶液的流速分別為20mm/s和160mm/s。將得到的沉淀物陳化、洗滌、干燥，然后在馬弗爐中于900°C煅燒，保溫4h。X射線衍射結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)得到的樣品為單相Nd:YAG納米粉體(見圖2中曲線b)。實(shí)施例3
溶液的制備把Nd2O3溶于稀鹽酸中，Y2 (SO4) 3和AlCl3溶于去離子水中，將這三種溶液按照金屬離子摩爾比O. 06Nd3+:2. 94Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的濃度分別為O. 006mol/L,0. 294mol/L和O. 5mol/L。尿素用去離子水配制成濃度為lmol/L的溶液， 并水浴加熱到90°C。反應(yīng)鹽溶液和沉淀劑溶液通過直徑為O. 8mm的微管道進(jìn)行連續(xù)高速流動(dòng)混合后發(fā)生快速沉淀反應(yīng)，過程中鹽溶液和沉淀劑溶液的流速分別為15mm/s和180mm/s。將得到的沉淀物陳化、洗滌、干燥，然后在馬弗爐中于1000°C煅燒，保溫4h。X射線衍射結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)得到的樣品為單相Nd:YAG納米粉體(見圖2中曲線C)。實(shí)施例4
溶液的制備把Nd2O3溶于稀硝酸中，Y(NO3)3和Al (NO3)3溶于去離子水中，將這三種溶液按照金屬離子摩爾比O. 03Nd3+:2. 97Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的濃度分別為O. 003mol/L, O. 297mol/L和O. 5mol/L。碳酸氫銨用去離子水配制成濃度為O. 45mol/L的溶液。反應(yīng)鹽溶液和沉淀劑溶液通過直徑為O. 6mm的微管道進(jìn)行連續(xù)高速流動(dòng)混合后發(fā)生快速沉淀反應(yīng)，過程中鹽溶液和沉淀劑溶液的流速分別為20mm/s和250mm/s。將得到的沉淀物陳化、洗滌、干燥，然后在馬弗爐中于1000°C煅燒，保溫4h。X射線衍射結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)得到的樣品為單相Nd:YAG納米粉體(見圖2中曲線d)。 掃描電子顯微觀察表明，粉體為平均粒徑約為60nm的近球形的多面體顆粒(見圖3)。實(shí)施例5
溶液的制備把Nd2O3和Y2O3溶于稀硝酸中，Al (NO3)3溶于去離子水中，將這三種溶液按照金屬離子摩爾比O. 06Nd3+:2. 94Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的濃度分別為
O.006mol/L,0. 294mol/L和O. 5mol/L。碳酸氫銨用去離子水配制成濃度為O. 45mol/L的溶液。反應(yīng)鹽溶液和沉淀劑溶液通過直徑為O. 8mm的微管道進(jìn)行連續(xù)高速流動(dòng)混合后發(fā)生快速沉淀反應(yīng)，過程中鹽溶液和沉淀劑溶液的流速分別為20mm/s和140mm/s。將得到的沉淀物陳化、洗滌、干燥，然后在馬弗爐中于1000°C煅燒，保溫4h。X射線衍射結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)得到的樣品為單相Nd:YAG納米粉體(見圖2中曲線e)。 掃描電子顯微觀察表明，粉體為平均粒徑約為50nm的近球形的多面體顆粒(見圖4)。
權(quán)利要求
1.一種摻釹釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于，所述的制備方法依次包括如下步驟a.將原料按照Ndx:Y3_x:Al5的比例以無機(jī)鹽溶液的形式混合，其中X的范圍為1% 4% ；b.混合鹽溶液在一定的溫度下與沉淀劑溶液均勻混合反應(yīng)；c.沉淀物經(jīng)陳化、洗滌、干燥后得到前驅(qū)體；d.前驅(qū)體在900°C 1200°C下進(jìn)行煅燒得到NchYAG納米粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述的步驟a中所述的無機(jī)鹽溶液為鹽酸鹽、硝酸鹽或者硫酸鹽，且Y3+和Al3+濃度范圍分別為O. 06 O. 3mol/L和O. I O.5mol/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述的步驟b中所述的沉淀劑為碳酸氫銨、尿素、碳酸銨或者氨水，且沉淀劑的用量是過量的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的沉淀劑為尿素時(shí)，將反應(yīng)溫度升高至80°C以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述的步驟b中所述的鹽溶液與沉淀劑溶液之間的均勻混合過程是通過各組分液體在壓力驅(qū)動(dòng)下，在微尺寸管道內(nèi)高速流動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述的微尺寸管道直徑范圍為O.2mm I. Omnin
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述的液體高速流動(dòng)連續(xù)細(xì)流的流速范圍為1 mm/s 1000mm/s。
全文摘要
一種摻釹釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，屬于無機(jī)材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明是采用一種多組分鹽溶液(Nd3+,Y3+,Al3+)與沉淀劑溶液在微管道中連續(xù)高速流動(dòng)混合后發(fā)生快速沉淀反應(yīng)，得到的沉淀經(jīng)過洗滌、干燥制備出前驅(qū)體，此后再進(jìn)一步進(jìn)行煅燒獲得Nd:YAG納米粉體。本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)了液體之間離子水平均勻混合，能夠消除產(chǎn)物偏析。合成的Nd:YAG納米粉體物相純凈，分散均勻，顆粒形狀規(guī)則。
文檔編號(hào)C04B35/44GK102603281SQ20121008054
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者楊光成, 王莉莉, 聶福德, 譙志強(qiáng), 陳瑾 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所