專利名稱:釔鋁石榴石納米粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及材料技術(shù)。
背景技術(shù):
釔鋁石榴石(簡稱YAG,化學(xué)式為Y3Al5O12),屬于立方晶系,由于其光學(xué)均勻性好、在可見光和紅外光波段具有良好的透光性、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等特點,被廣泛應(yīng)用于激光和發(fā)光基質(zhì)材料等領(lǐng)域。以YAG納米粉體為原料制備的YAG透明陶瓷,具有與YAG單晶相媲美的優(yōu)異光學(xué)性能,且相比于單晶,具有摻雜濃度高且均勻性好,生產(chǎn)成本低,形狀自由度大等優(yōu)點,有可能替代單晶成為下一代激光基質(zhì)材料。同時,Eu3+、Ce3+和Tb3+等離子摻雜的YAG粉體也是性能優(yōu)異的熒光粉材料,在陰極射線管、LED等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。此外,YAG還具有很強的高溫體積穩(wěn)定性,且是已知的抗高溫蠕變最好的氧化物材料之一,因而是一種非常有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。 高純、顆粒大小均勻、分散性好的類球形YAG納米粉體,有助于提高熒光粉的發(fā)光特性及發(fā)光效率;在功能陶瓷制備方面,有助于燒結(jié)過程中氣孔的排除,減少第二相和缺陷的生成,從而提高陶瓷的透光性;在結(jié)構(gòu)陶瓷制備方面,能夠使陶瓷在較低的溫度下實現(xiàn)致密化,從而有效抑制晶粒長大,獲得均勻細致的顯微結(jié)構(gòu)。因此,制備出性能優(yōu)良的YAG粉體,是實現(xiàn)其在應(yīng)用方面獲得高性能至關(guān)重要的一步。國內(nèi)外制備YAG粉體的方法主要有固相法、水熱法、燃燒法、溶膠凝膠法、沉淀法等。固相法通常需要將原料反復(fù)球磨和長時間在1600°C左右煅燒以消除YAM(Y4Al2O9)和YAP(YAlO9)中間相,因此該法合成溫度高,容易引入雜質(zhì),粉體顆粒大且團聚嚴重;水熱法產(chǎn)量低、純度差,且對設(shè)備等條件要求嚴格;燃燒法很容易在燃燒過程中引入碳元素,使產(chǎn)物純度不高,此外由于燃燒過程的劇烈性和爆炸性,導(dǎo)致產(chǎn)物顆粒的形狀和大小難以控制;溶膠凝膠法一般需要醇鹽作為原料,而醇鹽毒性大、價格高、易造成環(huán)境污染,不適合大規(guī)模生產(chǎn);沉淀法是液相化學(xué)反應(yīng)合成金屬氧化物及其化合物粉體材料最普通的方法,由于其在離子狀態(tài)下混合,可以比機械混合法更均勻,并且減少摻入雜質(zhì)的機會,使精確控制化學(xué)計算較容易,而且顆粒形貌可以根據(jù)反應(yīng)條件進行控制,因而其是一種經(jīng)濟適用、有效的粉體制備方法。沉淀法主要包括均相沉淀法和共沉淀法。均相沉淀法是利用沉淀劑在溶液中緩慢的生成而實現(xiàn)均勻沉淀,一般使用尿素為沉淀劑在升溫后水解產(chǎn)生OH-生成沉淀。張華山等以鋁和釔的硝酸鹽溶液為原料,尿素為沉淀劑,其中尿素用量為濃度比[Urea]/[M3+]=150:1, (NH4)2SO4與聚乙二醇為分散劑,正硅酸乙酯為添加劑,在95°C的水浴中生成沉淀,最后通過共沸等工藝制備出YAG前驅(qū)體,在120(TC煅燒2h獲得純相YAG納米粉體(功能材料,2004,增刊(35) :2774 - 2777)。該方法雖實現(xiàn)了反應(yīng)物原子尺寸的均勻混合,但合成時間長,耗能大,要求高的尿素濃度與混合金屬離子濃度比,煅燒溫度也偏高,效力低且易造成環(huán)境污染,不適宜工業(yè)生產(chǎn)。共沉淀法又分為正滴定和反滴定兩種方式,但無論是米用正滴定還是反滴定方式,在反應(yīng)過程中都需精確控制滴加速度,以及及時檢測反應(yīng)的終止pH值,對這些條件的精確控制是獲得性能良好的YAG粉體的關(guān)鍵(無機材料學(xué)報,2001,16(4) :630 - 634 ;硅酸鹽學(xué)報,2003,31 (5) :490-493 ;功能材料,2006,37 (I) :66 -69 JAlloys Compd,2010,503:525 - 528)。中國專利03112160. 8公開的工藝是利用鋁和釔的無機鹽為原料,以NH4HCO3或NH3 ·Η20為沉淀劑,采用正滴定方式,同時控制合適pH,先制備出鋁和釔的水合物,經(jīng)洗滌后加入適量分散劑和晶形控制劑并分散于有機溶劑的水溶液中,然后在密閉容器內(nèi)加熱至一定溫度合成YAG納米微粉。中國專利200510110760. 9公開的工藝是以Al (NO3) 3和Y (NO3) 3為原料,NH4HCO3為沉淀劑,采用反滴定方式,控制滴速< 3mL/min,沉淀體系ρΗ> 7. 8獲得沉淀,經(jīng)抽濾、洗漆、烘干后,采用分段升溫的煅燒方式獲得YAG納米粉。中國專利201010186604. I公開工藝是將金屬離子混合溶液以2 5mL/min滴加到沉淀劑NH4HCO3或NH3 -H2O中,在pH值8 10下攪拌得沉淀物,經(jīng)抽濾、洗滌、烘干得前驅(qū)體, 前驅(qū)體再經(jīng)預(yù)燒和煅燒過程,在1100°C獲得純YAG相。以上文章和專利中,采用共沉淀法制備YAG粉體的過程中,都需要精確控制滴加速度及PH值等參量,且還需要輔助一些特殊的工藝來獲得YAG粉體,工藝復(fù)雜,需控制變量多,不利于YAG粉體的工業(yè)化生產(chǎn)。如果能夠簡化工藝操作流程,減少控制參量,不僅可以大大降低生產(chǎn)成本,提升效率,而且還有助于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性,使其更有利于實現(xiàn)工業(yè)化
批量生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是,提供一種釔鋁石榴石納米粉體的制備方法,制備的YAG粉體具有良好的穩(wěn)定性。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是,釔鋁石榴石納米粉體的制備方法,其特征在于,包括下述步驟I)以分析純的 Al (NO3) 3 · 9H20、Y (NO3) 3 · 6H20 和 NH4HCO3 為原料,分別配置Al (NO3) 3 · 9H20水溶液、Y (NO3) 3 · 6H20水溶液和NH4HCO3水溶液,其中釔和鋁的硝酸鹽溶液濃度符合[Y3+] [Al3+] =3:5,且濃度分別為[Y3+] =0. 03 O. 15mol/L、[Α13+]=0. 05 O. 25mol/L,[NH4HCO3I=L 00 2· OOmoI/L ;2)分別量取等體積釔和鋁的硝酸鹽溶液混合均勻,密封后在(T100°C下攪拌至恒溫,并維持攪拌狀態(tài)待用;3)量取與步驟2)中鋁的硝酸鹽溶液等體積的NH4HCO3溶液,并加入占總原料質(zhì)量比O. Γ1. 0wt%的十二烷基苯磺酸做分散劑,攪拌均勻后待用;“總原料質(zhì)量”是指步驟I)中分析純的 Al (NO3) 3 · 9H20、Y (NO3) 3 · 6H20 和 NH4HCO3 的質(zhì)量之和。4)將步驟3)獲得的混合沉淀劑溶液一次性注入步驟2)的混合原料溶液中,在注入的同時伴以劇烈攪拌;5)將步驟4)獲得的反應(yīng)溶液繼續(xù)劇烈攪拌2飛h,陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液;6)將步驟5)獲得的乳白色膠狀沉淀溶液超聲處理f 3h ;7)將步驟6)獲得的沉淀真空抽濾,并用去離子水和乙醇各沖洗2飛次;8)將步驟7)獲得的沉淀在80°C條件下干燥12 24h后,研磨過篩待用;
9)將步驟8)所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中于70(Tl200°C之間煅燒2飛h,得到所需YAG納米粉體。進一步的,步驟I)中,三種溶液的濃度分別為[Y3+]=0. 09mol/L、[Al3+] =0. 15mol/L, [NH4HCO3] = I. 00 2· OOmoI/L0三種溶液為去離子水溶液。本發(fā)明的有益效果在于I)減少了工藝控制參量,從而簡化了工藝操作流程,提高了效率;2)由于反應(yīng)處于較低的水浴環(huán)境中,降低了環(huán)境溫度變化對實驗的影響,加之工藝控制參數(shù)減少,從而有助于提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性;3)本工藝制備的YAG前驅(qū)體在800°C煅燒即獲得YAG結(jié)晶相,在900°C煅燒獲得純 相YAG,降低了粉體的燒結(jié)溫度;4)該工藝簡單易操作,無須真空干燥、冷凍干燥等特殊設(shè)備,且原料均為分析純,成本低且易獲取,對環(huán)境污染小,符合工業(yè)化生產(chǎn)要求。
圖I是實施例3所制備前驅(qū)體在不同溫度下煅燒2h所獲產(chǎn)物的XRD圖譜; 圖2是實施例I、實施例2、實施例3、實施例4在800 V下煅燒2h所獲產(chǎn)物的XRD圖譜;圖3是實施例I、實施例2、實施例3、實施例4在900 °C下煅燒2h所獲產(chǎn)物的XRD圖譜;圖4是實施例3所制備前驅(qū)體在800°C、900°C、1000°C下煅燒2h所獲YAG納米粉體SEM圖。
具體實施例方式本發(fā)明是對傳統(tǒng)共沉淀法制備YAG粉體工藝的改進,通過對工藝條件的優(yōu)化改進,將共沉淀法的加料方式由滴加改為了一次性注入,省去對滴加速度及PH值等參量的監(jiān)控,同時整個反應(yīng)體系處于較低的水浴環(huán)境中,不僅有利于獲得性能優(yōu)異的納米粉體,還大大降低了環(huán)境溫度變化對實驗的影響,從而保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。并且通過該方法制備的YAG前驅(qū)體在800°C煅燒即獲得YAG結(jié)晶相,在900°C煅燒獲得純相YAG。本發(fā)明采用的技術(shù)方案步驟如下I)以分析純的Al (NO3)3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3為原料,分別精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3)3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液,其中釔和鋁的硝酸鹽溶液濃度嚴格按[Y3+] [A13+]=3:5,且他們的濃度分別為[Y3+]=0. 03、. 15mol/L、[Al3+] =0. 05 O. 25mol/L, [NH4HCO3] = I. 00 2· OOmoI/L ;2)分別量取等體積釔和鋁的硝酸鹽溶液混合均勻,密封后在(T100°C下攪拌至恒溫,并維持攪拌狀態(tài)待用;3)量取與步驟2)等體積NH4HCO3溶液,并加入占總原料質(zhì)量比O. Γ . 0wt%的十二烷基苯磺酸(C18H3tlSO3)做分散劑,攪拌均勻后待用;4)將步驟3)獲得的混合沉淀劑溶液一次性注入步驟2)的混合原料溶液中,在注入的同時伴以劇烈攪拌;5)將步驟4)獲得的反應(yīng)溶液繼續(xù)劇烈攪拌2飛h,陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液;6)將步驟5)獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理f 3h ;7)將步驟6)獲得的沉淀真空抽濾,并用去離子水和乙醇各沖洗2飛次;8)將步驟7)獲得的沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條件下干燥12 24h后,置于陶瓷研缽中研磨過篩待用;9)將步驟8)所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中于70(Tl200°C之間煅燒2飛h,得到所需YAG納米粉體。實施例I·
精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3) 3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液,濃度分別為[Y3+]=0.09mol/L、[Al3+]=0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 92mol/L ;分別量取250ml Al (NO3) 3> Y(NO3)3溶液混合均勻,密封后置于0°C冰浴條件下攪拌預(yù)冷至恒溫,并維持攪拌狀態(tài)待用;量取250ml NH4HCO3溶液,并往其中加入占總原料質(zhì)量比O. 1被%的十二烷基苯磺酸(C18H3tlSO3),攪拌均勻后待用;將NH4HCO3與C18H3tlSO3的均混溶液一次性注入劇烈攪拌的釔和鋁的硝酸鹽均混溶液中,密封后于冰浴中繼續(xù)劇烈攪拌4h,陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液;將獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理Ih ;將超聲處理后的沉淀溶液真空抽濾,并用去離子水和乙醇各沖洗3次;將獲得的白色沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條件下干燥12h ;將干燥得到的YAG前驅(qū)體粉體置于陶瓷研缽中研磨過200目篩;將最終所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中分別于800°C、900°C煅燒2h,得到所需YAG納米粉體。實施例2精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3) 3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液,濃度分別為[Y3+]=0.09mol/L、[Al3+]=0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 92mol/L ;分別量取250ml Al (NO3) 3、Y (NO3) 3溶液,在室溫(約25°C )條件下密封后攪拌混合均勻,并維持攪拌狀態(tài)待用;量取250ml NH4HCO3溶液,并往其中加入占總原料質(zhì)量比O. lwt%的十二烷基苯磺酸(C18H30SO3),攪拌均勻后待用;將NH4HCO3與C18H3tlSO3的均混溶液一次性注入劇烈攪拌的釔和鋁的硝酸鹽均混溶液中,密封后繼續(xù)劇烈攪拌4h,陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液;將獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理Ih ;將超聲處理后的沉淀溶液真空抽濾,并用去離子水和乙醇各沖洗3次;將獲得的白色沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條件下干燥12h ;將干燥得到的YAG前驅(qū)體粉體置于陶瓷研缽中研磨過200目篩;將最終所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中分別于800°C、900°C煅燒2h,得到所需YAG納米粉體。實施例3精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3) 3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液,濃度分別為[Y3+]=0.09mol/L、[Al3+]=0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 92mol/L ;分別量取250ml Al (NO3) 3、Y (NO3) 3溶液混合均勻,密封后置于50°C水浴條件下攪拌預(yù)熱至恒溫,并維持攪拌狀態(tài)待用;量取250ml NH4HCO3溶液,并往其中加入占總原料質(zhì)量比O. 1被%的十二烷基苯磺酸(C18H3tlSO3),攪拌均勻后待用;將NH4HCO3與C18H3tlSO3的均混溶液一次性注入劇烈攪拌的釔和鋁的硝酸鹽均混溶液中,密封后于水浴中繼續(xù)劇烈攪拌4h,陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液;將獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理Ih ;將超聲處理后的沉淀溶液真空抽濾,并用去離子水和乙醇各沖洗3次;將獲得的白色沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條件下干燥12h ;將干燥得到的YAG前驅(qū)體粉體置于陶瓷研缽中研磨過200目篩;將最終所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中分別于700°C、800°C、900°C、1000°C煅燒2h,得到所需YAG納米粉體。實施例4精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3) 3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液,濃度分別為[Y3+]=0.09mol/L、[Al3+]=0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 92mol/L ;分別量取250ml Al (NO3)3J(NO3)3溶液混合均勻,密封后置于75°C水浴條件下攪拌預(yù)熱至恒溫,并維持攪拌狀態(tài)待用;量取250ml NH4HCO3溶液中,并往其中加入占總原料質(zhì)量比O. lwt%的十二烷基苯磺酸(C18H3tlSO3),攪拌均勻后待用;將NH4HCO3與C18H3tlSO3的均混溶液一次性注入劇烈攪拌的釔和鋁的硝酸鹽均混溶液中,密封后于水浴中繼續(xù)劇烈攪拌4h,陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液;將獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理Ih ;將超聲處理后的沉淀溶液真空抽濾,并用去離子水和乙醇各沖洗3次;將獲得的白色沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條 件下干燥12h ;將干燥得到的YAG前驅(qū)體粉體置于陶瓷研缽中研磨過200目篩;將最終所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中分別于800°C、900°C煅燒2h,得到所需YAG納米粉體。
權(quán)利要求
1.釔鋁石榴石納米粉體的制備方法,其特征在于,包括下述步驟1)以分析純的Al (NO3) 3 · 9H20、Y (NO3) 3 · 6H20 和 NH4HCO3 為原料,分別配置 Al (NO3) 3 · 9H20水溶液、Y (NO3) 3 · 6H20水溶液和NH4HCO3水溶液,其中釔和鋁的硝酸鹽溶液濃度符合[Y3+]: [Al3+] =3:5,且濃度分別為[Υ3+]=0· 03 O. 15mol/L、[Al3+] =0. 05 O. 25mol/L,[NH4HCO3I=L 00 2· OOmoI/L ; 2)分別量取等體積釔和鋁的硝酸鹽溶液混合均勻,密封后在(Γ ΟΟ 下攪拌至恒溫,并維持攪拌狀態(tài)待用; 3)量取與步驟2)中鋁的硝酸鹽溶液等體積的NH4HCO3溶液,并加入占總原料質(zhì)量比O.Γ1. 0wt%的十二烷基苯磺酸做分散劑,攪拌均勻后待用; 4)將步驟3)獲得的混合沉淀劑溶液一次性注入步驟2)的混合原料溶液中,在注入的同時伴以劇烈攪拌; 5)將步驟4)獲得的反應(yīng)溶液繼續(xù)劇烈攪拌2飛h,陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液; 6)將步驟5)獲得的乳白色膠狀沉淀溶液超聲處理f3h ; 7)將步驟6)獲得的沉淀真空抽濾,并用去離子水和乙醇各沖洗2飛次; 8)將步驟7)獲得的沉淀在80°C條件下干燥12 24h后,研磨過篩待用; 9)將步驟8)所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中于70(Tl200°C之間煅燒2飛h,得到所需YAG納米粉體。
2.如權(quán)利要求I所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法,其特征在于,所述步驟I)中,三種溶液的濃度分別為 [Y3+] =0. 09mol/L、[Al3+] =0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 00 2· OOmoI/L0
3.如權(quán)利要求I所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法,其特征在于,所述步驟I)中,三種溶液為去離子水溶液。
全文摘要
釔鋁石榴石納米粉體的制備方法,涉及材料技術(shù)。本發(fā)明包括下述步驟1)配置Al(NO3)3·9H2O水溶液、Y(NO3)3·6H2O水溶液和NH4HCO3水溶液;2)分別量取等體積釔和鋁的硝酸鹽溶液混合均勻;3)量取與步驟2)中鋁的硝酸鹽溶液等體積的NH4HCO3溶液,并加入占總原料質(zhì)量比0.1~1.0wt%的十二烷基苯磺酸做分散劑,攪拌均勻后待用;4)將步驟3)獲得的混合沉淀劑溶液一次性注入步驟2)的混合原料溶液中,在注入的同時伴以劇烈攪拌;5)將步驟4)獲得的反應(yīng)溶液繼續(xù)劇烈攪拌2~6h,陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液;6)超聲處理;7)真空抽濾,沖洗;8)干燥,研磨過篩;9)煅燒。本發(fā)明減少了工藝控制參量,從而簡化了工藝操作流程,提高了效率。
文檔編號C04B35/626GK102898148SQ20121039506
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者曹林洪, 馬飛 申請人:西南科技大學(xué)