專利名稱：一種釔鋁石榴石納米粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種釔鋁石榴石(Y3Al5O12，簡(jiǎn)稱YAG)納米粉體的制備方法，特別涉及一種利用溶膠-凝膠和冷凍干燥相結(jié)合工藝制備YAG納米粉體的方法，屬于透明陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
YAG具有優(yōu)良的光學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作窗口材料和功能材料。稀土離子摻雜的YAG單晶是一種理想的激光材料，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)領(lǐng)域，是全固態(tài)激光器的重要基質(zhì)。與單晶相比，YAG透明陶瓷具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜、可制作大尺寸以及可實(shí)現(xiàn)多層多功能復(fù)合結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其中，制備出純度高、粒度小、燒結(jié)活性高的YAG粉體是高光學(xué)質(zhì)量YAG透明陶瓷制備的前提。
目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的制備YAG粉體的方法主要有:固相反應(yīng)法、共沉淀法、水熱法和溶膠-凝膠法等。
早期YAG粉體的制備方法為固相反應(yīng)法，即采用高純Y2O3和Al2O3粉末，經(jīng)多次球磨和1600°C以上高溫煅燒，依靠Y2O3和Al2O3粉末在高溫下擴(kuò)散發(fā)生反應(yīng)生成YAG粉體。固相反應(yīng)法存在的缺點(diǎn)是:球磨過(guò)程中容易引入雜質(zhì)且原料不容易混勻，同時(shí)，高溫煅燒使粉體的燒結(jié)活性降低，且無(wú)法得到納米級(jí)的粉體。另外，煅燒產(chǎn)物中除了主晶相YAG相外，往往含有少量的YAlO3 (簡(jiǎn)稱YAP^P Y4Al2O9 (簡(jiǎn)稱YAM)相。
日本專利JP2001270714中采用碳酸釔和片鈉鋁石作原料，配置成含有碳酸根和硫離子的溶液，通過(guò)調(diào)整溶液的PH值形成沉淀，沉淀物經(jīng)800 1300°C煅燒，得到粒徑40 400nm的YAG粉體。該方法的存在的缺點(diǎn)是:由于不同組分之間沉淀速度的差異，容易使不同離子先后沉淀，從而導(dǎo)致微觀組成均勻性難以控制，且沉淀的洗滌和抽濾比較困難，粉體易團(tuán)聚。
Yukiya Hakuta 等人[Yukiya Hakuta et al, Production of phosphor(YAG: Tb)fine particles by hydrothermal synthesis in supercriticalwater, 1999,9(10):2671-2674]利用水熱法制備YAG:Tb粉體。該技術(shù)的缺點(diǎn)是:設(shè)備要求聞。
Michael Veith 等人(Michael Veith, et al, Low temperature synthesis ofnanocrystalline Y3Al5O12 (YAG)and Ce-doped Y3Al5O12Via different sol-gel methods.J.Mater.Chem.，1999 (12) 3069-3079)利用溶膠-凝膠法制備YAG納米粉體，該方法存在的缺點(diǎn)是:原料成本較高，成本高的主要原因在于Y以及其它稀土離子醇鹽的合成條件特別苛刻(要嚴(yán)格控制水分)，工藝過(guò)程復(fù)雜，且合成產(chǎn)率較低；另外，在凝膠的干燥過(guò)程中，如果干燥不當(dāng)，容易導(dǎo)致粉料團(tuán)聚，如果不即時(shí)解決，最終將演變成硬團(tuán)聚，從而降低粉料的燒結(jié)活性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且產(chǎn)率較高的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法。
本發(fā)明融合了溶膠-凝膠法和冷凍干燥技術(shù)，提出了一種利用溶膠-凝膠和冷凍干燥相結(jié)合工藝制備YAG納米粉體的方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:一種釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，包括以下步驟:
I)將鋁鹽溶解于異丙醇中，得到質(zhì)量濃度為15 35wt%的鋁溶液；將釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽溶解于去離子水中，配成質(zhì)量濃度為15 25wt%的溶液A;其中，
所述鋁鹽與釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽的摩爾比為3:5，所述鋁鹽與異丙醇的重量份數(shù)比為1:2 1: 6，所述釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽與去離子水的重量份數(shù)比為1:3 1:6;
2)在劇烈攪拌的條件下，將鋁溶液逐滴滴加到溶液A中，在30 50°C的條件下，攪拌I 3小時(shí)，得到溶膠；然后在60 80°C的條件下，繼續(xù)攪拌I 3小時(shí)，得到凝膠；
3)將步驟2)中得到的凝膠轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)，進(jìn)行預(yù)凍，然后再進(jìn)行干燥，得到疏松的前驅(qū)體；
4)將步驟3)中得到的前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，即得到所述釔鋁石榴石納米粉體。
本發(fā)明的有益效果是:利用本發(fā)明的制備方法，可以以相對(duì)較低的成本，在較低(900 1100°C)的溫度下，制備出粒度小(30 lOOnm)、燒結(jié)活性高、摻雜均勻的YAG納米粉體。
另外，本發(fā)明采用溶膠-凝膠和冷凍干燥相結(jié)合技術(shù)制備YAG納米粉，冷凍干燥代替常規(guī)的干燥，避免了粉料因干燥而導(dǎo)致的團(tuán)聚，從而可以制備出低團(tuán)聚、燒結(jié)活性高的YAG納米粉料。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
進(jìn)一步，所述鋁鹽為異丙醇鋁。
進(jìn)一步，所述釔鹽為醋酸釔；所述其它稀土離子的醋酸鹽包括醋酸釹、醋酸鐿、醋酸鈰、醋酸鉺、醋酸銪、醋酸欽、醋酸釤、醋酸鐠等中的任意一種。
采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，Al鹽采用異丙醇鋁為原料，Y和其它稀土離子的鹽采用相應(yīng)的醋酸鹽為原料，醋酸鹽的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且產(chǎn)率較高，從而可以顯著降低原料的成本。
進(jìn)一步,所述乾招石槽石納米粉體的粒度為30 lOOnm。
進(jìn)一步，所述釔鋁石榴石納米粉體為不摻雜釔鋁石榴石納米粉體或稀土離子摻雜釔鋁石榴石納米粉體，其組成為:Y3_3xRe3xAl5012，其中，所述Re為摻雜稀土元素，所述x表示摻雜量，通常O≤X≤0.1，當(dāng)x=0時(shí)為純Y3Al5O120
進(jìn)一步，在步驟3)中，所述進(jìn)行預(yù)凍的工藝條件為:在-50 -70°C的條件下，預(yù)凍8 24小時(shí)。
進(jìn)一步，在步驟3)中，所述進(jìn)行干燥的工藝條件為:在-50 -70°C，I 15Pa的真空度下，干燥20 50小時(shí)。
進(jìn)一步，在步驟4)中，所述進(jìn)行煅燒的工藝條件為:在900 1100°C的條件下，煅燒2 4小時(shí)。


圖1為本發(fā)明按實(shí)施例1制備YAG納米粉料的X射線衍射(X_ray Diffraction,簡(jiǎn)稱XRD)譜圖。
圖2為本發(fā)明按實(shí)施例1制備YAG納米粉的投射電子顯微(TransmissionElectron Micro-scope,簡(jiǎn)稱 TEM)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
一種釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，包括以下步驟:
I)將鋁鹽溶解于異丙醇中，得到質(zhì)量濃度為15 35wt%的鋁溶液；將釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽溶解于去離子水中，配成質(zhì)量濃度為15 25wt%的溶液A;其中，
所述鋁鹽與釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽的摩爾比為3:5，所述鋁鹽與異丙醇的重量份數(shù)比為1:2 1: 6，所述釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽與去離子水的重量份數(shù)比為1:3 1:6 ;
2)在劇烈攪拌的條件下，將鋁溶液逐滴滴加到溶液A中，在30 50°C的條件下，攪拌I 3小時(shí)，得到溶膠；然后在60 80°C的條件下，繼續(xù)攪拌I 3小時(shí)，得到凝膠；
3)將步驟2)中得到的凝膠轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)，在-50 -70°C的條件下，預(yù)凍8 24小時(shí)，然后再在-50 -70°C，I 15Pa的真空度下，干燥20 50小時(shí)，得到疏松的前驅(qū)體；
4)將步驟3)中得到的前驅(qū)體在900 1100°C的條件下，煅燒2 4小時(shí)，即得到粒度為30 IOOnm釔鋁石榴石納米粉體。
所述釔鋁石榴石納米粉體為不摻雜釔鋁石榴石納米粉體或稀土離子摻雜釔鋁石榴石納米粉體，其組成為:Y3_3xRe3xAl5012，其中，所述Re為摻雜稀土元素，所述x表示摻雜量，通常O彡X彡0.1，當(dāng)x=0時(shí)為純Y3Al5O120
以下通過(guò)幾個(gè)具體的實(shí)施例以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說(shuō)明。
實(shí)施例1
稱取異丙醇鋁102.12克溶解于300ml異丙醇中，形成鋁溶液，稱取醋酸釔(分子式=Y(CH3COO)3.4Η20) 101.43克溶解于600ml去離子水中，形成釔的溶液。在劇烈攪拌下，將上述鋁溶液逐滴滴加到釔的溶液中，在40°C下，攪拌2h，形成溶膠，升溫至60°C并繼續(xù)攪拌3h，形成凝膠。將上述凝膠轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)，在-60°C預(yù)凍12h，在-60°C、10Pa下，干燥30h，得到疏松的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末經(jīng)900°C高溫煅燒2h得到最終的產(chǎn)物。其XRD譜如圖1所示，與標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS33-40對(duì)比，衍射峰的位置和相對(duì)強(qiáng)度完全一致，表明產(chǎn)物為純YAG相。TEM照片如圖2所示，平均晶粒尺寸為30nm左右。
實(shí)施例2
稱取異丙醇鋁102.12克溶解于600ml異丙醇中，形成鋁溶液，稱取醋酸釔(分子式:同實(shí)施例1)100.4157克，醋酸釹(分子式=Nd(CH3COO)3-H2O)!.0181克溶解于400ml去離子水中，形成釔和釹的混合溶液。在劇烈攪拌下，將上述鋁溶液逐滴滴加到釔和釹的混合溶液中，在45°C下，攪拌2h，形成溶膠，升溫至70°C并繼續(xù)攪拌2h，形成凝膠。將上述凝膠轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)，在_65°C預(yù)凍8h，在-65°C、8Pa下，干燥36h，得到疏松的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末經(jīng)1000°C高溫煅燒2h，最后得到Nd含量1.0at%的Nd = YAG粉體。其XRD圖譜和TEM照片特征同實(shí)施例1。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表I。
實(shí)施例3
稱取異丙醇鋁102.12克溶解于400ml異丙醇中，形成鋁溶液，稱取醋酸釔(分子式:同實(shí)施例1) 96.3585克，醋酸鐿(分子式:Yb (CH3COO)3.4H20) 6.332克溶解于500ml去離子水中，形成釔和鐿的混合溶液。在劇烈攪拌下，將上述鋁溶液逐滴滴加到釔和鐿的混合溶液中，在30°C下，攪拌3h，形成溶膠，升溫至80°C并繼續(xù)攪拌lh，形成凝膠。將上述凝膠轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)，在_60°C預(yù)凍24h，在-60°C、7Pa下，干燥48h，得到疏松的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末經(jīng)1100°C高溫煅燒3h，最后得到Y(jié)b含量5.0at%的Yb: YAG粉體，其XRD圖譜和TEM照片特征同實(shí)施例1。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表I。
實(shí)施例4
稱取異丙醇鋁102.12克溶解于500ml異丙醇中，形成鋁溶液，稱取醋酸釔(分子式:同實(shí)施例O 101.3286克，醋酸鈰(分子式:Ce (CH3COO)3.5H20) 0.1222克溶解于300ml去離子水中，形成釔和鈰的混合溶液。在劇烈攪拌下，將上述鋁溶液逐滴滴加到釔和鈰的混合溶液中，在50°C下，攪拌2h，形成溶膠，升溫至80°C并繼續(xù)攪拌lh，形成凝膠。將上述凝膠轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)，在_70°C預(yù)凍10h，在-60°C、IOPa下，干燥40h，得到疏松的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末經(jīng)900°C高溫煅燒2h，最后得到Ce含量0.lat%的Ce = YAG粉體，其XRD圖譜和TEM照片特征同實(shí)施例1。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表I。
實(shí)施例5
稱取異丙醇鋁102.12克溶解于500ml異丙醇中，形成鋁溶液，稱取醋酸釔(分子式:同實(shí)施例1)91.287克，醋酸鉺(分子式:Er (CH3COO) 3.4Η20) 12.4935克溶解于400ml去離子水中，形成釔和鉺的混合溶液。在劇烈攪拌下，將上述鋁溶液逐滴滴加到釔和鉺的混合溶液中，在40°C下， 攪拌2h，形成溶膠，升溫至75°C并繼續(xù)攪拌lh，形成凝膠。將上述凝膠轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)，在_70°C預(yù)凍16h，在-65°C、15Pa下，干燥50h，得到疏松的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末經(jīng)1000 °C高溫煅燒2h，最后得到Er含量10at%的Er = YAG粉體，其XRD圖譜和TEM照片特征同實(shí)施例1。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表I。
表I
權(quán)利要求
1.一種釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將鋁鹽溶解于異丙醇中，得到質(zhì)量濃度為15 35wt%的鋁溶液；將釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽溶解于去離子水中，配成質(zhì)量濃度為15 25wt%的溶液A;其中， 所述鋁鹽與釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽的摩爾比為3:5，所述鋁鹽與異丙醇的重量份數(shù)比為1:2 1:6 ;所述釔鹽和/或其它稀土離子的醋酸鹽與去離子水的重量份數(shù)比為1:3 1:6 ; 2)在劇烈攪拌的條件下，將鋁溶液逐滴滴加到溶液A中，在30 50°C的條件下，攪拌I 3小時(shí)，得到溶膠；然后在60 80°C的條件下，繼續(xù)攪拌I 3小時(shí)，得到凝膠； 3)將步驟2)中得到的凝膠轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)，進(jìn)行預(yù)凍，然后再進(jìn)行干燥，得到前驅(qū)體； 4)將步驟3)中得到的前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，即得到所述釔鋁石榴石納米粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于:所述鋁鹽為異丙醇鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于:所述釔鹽為醋酸釔；所述其它稀土離子的醋酸鹽包括醋酸釹、醋酸鐿、醋酸鈰、醋酸鉺、醋酸銪、粗酸欽、醋酸釤、醋酸鐠中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于:所述釔鋁石榴石納米粉體的粒度為30 lOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于:所述釔鋁石榴石納米粉體為不摻雜釔鋁石榴石納米粉體或稀土離子摻雜釔鋁石榴石納米粉體，其組成為:Y3_3xRe3xAl5012,其中，所述Re為摻雜稀土元素,所述x表示摻雜量,通常O彡x彡0.1,當(dāng)x=0 時(shí)為純 Y3Al5O1215
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于:在步驟3)中，所述進(jìn)行預(yù)凍的工藝條件為:在-50 _70°C的條件下，預(yù)凍8 24小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于:在步驟3)中，所述進(jìn)行干燥的工藝條件為:在-50 -70°C，1 15Pa的真空度下，干燥20 50小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于:在步驟4)中，所述進(jìn)行煅 燒的工藝條件為:在900 1100°C的條件下，煅燒2 4小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，首先將鋁鹽溶解于異丙醇中，配置成鋁溶液，將釔和/或其它稀土離子的醋酸鹽溶解于去離子水中，配置成溶液A，然后將上述鋁溶液在劇烈攪拌條件下滴加到溶液A中，經(jīng)過(guò)溶膠、凝膠、冷凍干燥等階段形成前驅(qū)體，前驅(qū)體經(jīng)高溫煅燒后形成釔鋁石榴石納米粉體。利用本發(fā)明的制備方法，可以以相對(duì)較低的成本，在較低(900～1100℃)的溫度下，制備出粒度小(30～100nm)、燒結(jié)活性高、摻雜均勻的YAG納米粉體。
文檔編號(hào)C04B35/44GK103214016SQ20131014368
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者王海麗, 蒲瑞滿, 沈德忠 申請(qǐng)人:北京中材人工晶體研究院有限公司