专利名称：分步沉淀法制备yag纳米粉体的方法
技术领域：
本发明涉及一种YAG纳米粉体的制备方法，更确切地说本发明是采用分步沉淀的方法制备YAG纳米粉体，该粉体可用于透明陶瓷的制备。属于透明陶瓷的制备技术领域。
背景技术：
1995 年，日本科学家 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.]制备出高质量的Nd:YAG透明陶瓷，并首次实现透明陶瓷的激光输出，同时研制出世界上第一台NdiYAG陶瓷激光器。与传统的激光器增益介质晶体和玻璃相比，透明陶瓷具有制备简单，掺杂浓度高，易实现大尺寸等综合优势。激光透明陶瓷的成功制备，大大促进了光学透明陶瓷的发展。1998年，日本神岛化学公司成功采用纳米粉体技术和真空烧结方法制备出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，米用该方法制备出的Nd = YAG透明陶瓷成功实现透明陶瓷的高效激光输出[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，基于这一技术，日本的神岛化学公司、日本电气通信大学、俄罗斯科学院的晶体研究所等联合开发出一系列二极管泵浦的高功率和高效率固体激光器，激光输出功率从31W提高到72W、88W和I. 46KW，光-光转化效率从14. 5%提高到 28. 8%、30%和 42%。从目前已有的文献和专利分析，纳米粉体技术结合真空烧结方法具备较明显的优势。其中纳米粉体的制备是采用共沉淀的方法，前期的研究结果显示，氧化铝前驱体和氧化钇前驱体的适宜制备条件不同，而且存在较大的差异，因此本发明尝试采用分步沉淀的方法制备YAG纳米粉体。与传统的共沉淀法相比，该方法制得的纳米粉体具备更高的烧结活性，可制备出更高质量的透明陶瓷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分步沉淀法制备YAG纳米粉体的方法，可制得较高烧结活性的纳米粉体。本发明是这样实施的采用Al (NO)3和Y(NO3)3为原料，以NH4HCO3作为沉淀剂，原料和沉淀剂的纯度均为分析纯。先按照化学计量比称取原料并稀释成所需浓度的溶液，其二，采用分步沉淀法，制备一种铝离子或钇离子金属离子的沉淀物，经过水洗和陈化后，将制得的沉淀物均匀分散在另一种金属离子的溶液中充分搅拌后加入沉淀剂溶液形成悬浮液，得到混合沉淀，再经陈化、水洗、醇洗和干燥后得到YAG前驱体。最后将该前驱体进行煅烧，即得到YAG纳米粉体。本发明提供的YAG透明陶瓷的制备工艺，如图I所示，其特征在于
(I)采用分步沉淀的方法，先沉淀一种金属离子，后将先得到的沉淀物分散于另一种金属离子溶液中，再加入沉淀剂，得到沉淀混合物，即YAG前驱体。该前驱体经干燥煅烧后即可得到YAG纳米粉体。(2)所述的Al或Y的金属离子溶液的浓度为0. 1-2. 0M。(3)所述的沉淀剂的浓度为0. 1-2. OM ;沉淀剂为NH4HC03。
本发明提供的YAG透明陶瓷的制备工艺的特点是(I)区别于共沉淀法，本发明采用分步沉淀法制备YAG纳米粉体。(2)可获得与共沉淀工艺相当的组分混合均匀性。(3)制得YAG粉体的烧结活性较高。本发明提供了一种分步沉淀法制备YAG纳米粉体的方法，其特征在于采用分析纯Al (NO)3, Y(NO3)3为原料以NH4HCO3为沉淀剂，首先采用反滴工艺，制取氧化铝前驱体，然后将制得的氧化铝前驱体分散在Y(NO3)3溶液中形成悬浊体系，待悬浊体系均匀分散后，逐滴加入NH4HCO3溶液，将得到的沉淀物分别水洗，醇洗三次，再经干燥后即得到YAG前驱体。然后煅烧该前驱体，得到YAG纳米粉体。反之亦然，先制取氧化钇前驱体，然后制取YAG前驱体，由前驱体1050°C煅烧所制得的纳米YAG粉体制备成YAG块体材料具有良好的透光性。
图I实施例I中制备YAG纳米粉体的工艺流程；图2实施例I中制备的YAG前驱体的XRD相变结果；图3实施例I中制备的YAG纳米粉体的FESEM形貌；图4实施例I中制备的YAG陶瓷的透过率曲线；图5实施例I中制备的YAG陶瓷的实物照片；图6实施例2中制备YAG纳米粉体的工艺流程；图7实施例2中制备的YAG前驱体的XRD相变结果；图8实施例2中制备的YAG纳米粉体的FESEM形貌；图9实施例2中制备的YAG陶瓷的实物照片；图10对比例I中制备YAG纳米粉体的工艺流程；图11对比例I中制备的YAG前驱体的XRD相变结果；图12对比例I中制备的YAG纳米粉体的FESEM形貌；图13对比例I中制备的YAG陶瓷的实物照片；图14对比例2中制备YAG纳米粉体的工艺流程；图15对比例2中制备的YAG前驱体的XRD相变结果；图16对比例2中制备的YAG纳米粉体的FESEM形貌；图17对比例2中制备的YAG陶瓷的透过率曲线；图18对比例2中制备的YAG陶瓷的实物照片。
具体实施例方式用下列非限定性实施例进一步说明实施方式及效果实施例I
按照图I所示的工艺流程，分别取用19. 93g Y (NO3) 3溶液，33. 94gAl (NO3) 3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液为原料。首先稀释溶液，向33. 94gAl (NO3) 3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液中加入去离子水分别至350mL，400ml和420mL。然后再将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离子的沉淀物。第三步是将得到的沉淀陈化24h，再用去离子水洗两次，第四步是将Y(NO3) 3溶液加入到第三步经去离子水清洗的沉淀中，后充分搅拌分散形成悬浮液，第五步是将稀释为420mlNH4HC03溶液以以0. 5-1. 5mL/min的速度加入到包含沉淀物与Y (NO3) 3溶液组成的悬浮液中，即可制得混合沉淀，最后经陈化24h，并分别用去离子水和无水乙醇洗三次，可制得YAG前驱体。该前驱体经煅烧，干燥后可制得YAG纳米粉体。将煅烧后粉体过200目筛，在钢模中采用IOOMPa的压力预压得到素坯，再将素坯进行200MPa等静压处理。将等静压处理后的素坯在真空条件下烧结，温度1750°C，保温时间20h。将真空烧结后的样品在空气气氛下退火，温度1450°C，时间10h。根据图2中的结果，前驱体经1050°C煅烧可得到YAG粉体。图3是制得的YAG粉体的透射电镜形貌。从图3中可以看出，粉体分散性较好，颗粒尺寸为200nm-500nm。图4 为样品的透过率曲线。从图4中可以看出，制得样品的透过率在IIOOnm处可达66%，在可见光区域的透过率约为60%。图5为制得样品的实物照片，从图5中可以看出，采用分步沉淀法制得的粉体烧结出的样品具备较好的透光性能。实施例2按照图6所示的工艺流程，分别取用19. 93g Y (NO3) 3溶液，33. 94g Al (NO3)3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液为原料。首先稀释溶液，向199. 3gY (NO3)3溶液，Al (NO3)3溶液和66. 92g NH4HCO3溶液中加入去离子水分别至210mL，350ml和400mL。然后将400mL溶液以lmL/min的速度加入Y (NO3) 3溶液中。后将得到的沉淀陈化24h，再用去离子水洗两次，然后将順4110)3溶液加入制得的沉淀中，后充分搅拌分散，然后将350ml Al (NO3) 3溶液以lmL/min的速度加入到包含沉淀与NH4HCO3溶液的悬浊液中，即可制得混合沉淀，然后经陈化24h，并分别用去离子水和无水乙醇洗三次，可制得YAG前驱体。该前驱体经煅烧，干燥后制得YAG纳米粉体。将煅烧后粉体过200目筛，在钢模中采用IOOMPa的压力预压得到素坯，再将素坯进行200MPa等静压处理。将等静压处理后的素坯在真空条件下烧结，温度1750°C，保温时间20h。将真空烧结后的样品在空气气氛下退火，温度1450°C，时间10h。根据图7中的结果，前驱体经1350°C煅烧可得到YAG粉体。图8是制得的YAG粉体的透射电镜形貌。从图8中可以看出，颗粒尺寸为200nm-300nm。图9为制得样品的实物照片(未抛光)，从图9中可以看出，采用分步沉淀法制得的粉体烧结出的样品具备较好的透光性能。实施例I和2，随仅给出一种浓度的金属离子和一种沉淀剂浓度的实验结果，但如按金属离子浓度0. 1-2. OM和沉淀剂浓度0. 1-2. OM均能获得如实施例I和2的相类似结果。为更说明本发明提供的分步沉淀的效果，拟提供对比例I (正滴共沉淀)和对比例2 (反滴共沉淀)制备纳米YAG粉体的特征，以进一步表明本发明的效果。对比例I图10为正滴共沉淀法制备YAG纳米粉体的工艺流程。按照图10所示的工艺流程，分别取36. 22mL Y (NO3) 3溶液和89. 02ml Al (NO3) 3溶液，转入烧杯中，加去离子水至500mL，称取118. 58gNH4HC03，溶于去离子水中，并加去离子水至1000mL。然后将NH4HCO3溶液以lmL/min的速度加入金属离子溶液中。将得到的沉淀陈化24h后，分别用去离子水和无水乙醇洗三次，再经干燥可制得YAG前驱体。前驱体经煅烧可制得YAG粉体。YAG陶瓷的成型及烧结条件与实施例I相同。根据图11中的结果，前驱体经900°C煅烧可得到YAG粉体。图12是制得的YAG粉体的透射电镜形貌。从图12中可以看出，粉体分散性较差，粉体中存在严重的团聚现象。颗粒存在两种尺寸，一种为500nm左右，另一种小于lOOnm。图13为制得样品的实物照片，从图13中可以看出，采用正滴共沉淀法制得的粉体 的烧结性能较差。对比例2图14为反滴共沉淀法制备YAG纳米粉体的工艺流程。按照图14所示的工艺流程，分别取36. 22mLY (NO3) 3溶液和89. 02mlAl (NO3) 3溶液，转入烧杯中，加去离子水至500mL，称取118. 58gNH4HC03，溶于去离子水中，并加去离子水至1000mL。然后将金属离子溶液以ImL/min的速度加入NH4HCO3溶液中。将得到的沉淀陈化24h后，分别用去离子水和无水乙醇洗三次，再经干燥可制得YAG前驱体。前驱体经煅烧可制得YAG粉体。YAG陶瓷的成型及烧结条件与实施例I相同。根据图15中的结果，前驱体经1050°C煅烧可得到YAG粉体。图16是制得的YAG粉体的透射电镜形貌。从图16中可以看出，粉体分散性尚可，颗粒尺寸为IOOnm左右。图17为样品的透过率曲线。从图17中可以看出，制得样品的透过率在IlOOnm处只有15%左右，在可见光区域的透过率约为15-20%。图18为制得样品的实物照片，从图18中可以看出，采用反滴共沉淀法制得的粉体的烧结性能尚可，制备出的YAG陶瓷具备一定的透光性能，但与实施例I相比存在较大的差距。
权利要求
1.一种YAG纳米粉体的制备方法，其特征在于采用分步沉淀的方法，先沉淀一种金属离子，后将先得到的沉淀物分散于另一种金属离子溶液中，再加入沉淀剂，得到沉淀混合物，即YAG前驱体；所得的YAG前驱体经煅烧后即可得到YAG纳米粉体。
2.按权利要求I所述的方法，其特征在于采用Al(NO3)3和Y(NO3)3为原料，以NH4HCO3作为沉淀剂，先按照化学计量比称取原料并稀释成所需浓度的溶液，其二采用分步沉淀法先制备一种铝离子或钇离子金属离子的沉淀物，经过水洗和陈化后，将制得的沉淀物均匀分散在另一种金属离子的溶液中充分搅拌后加入沉淀剂溶液形成悬浮液，得到混合沉淀，再经陈化、水洗、醇洗和干燥后得到YAG前驱体；最后将该前驱体进行煅烧，即得到YAG纳米粉体。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的金属离子溶液浓度为O.1-2. 0M。
4.按权利要求I所述的方法，其特征在于所述的沉淀剂浓度为O.1-2. 0M。
5.按权利要求3或4所述的方法，其特征在于所述的原料和沉淀剂的纯度为分析纯。
6.按权利要求2所述的方法，其特征在于采用分步沉淀法是将Al(NO3) 3或Y (NO3) 3溶液以O. 5-1. 5ml/min的速度加入到NH4HCO3溶液中的。
7.按权利要求I或2所述的方法，其特征在于前驱体煅烧的温度为1050°C。
8.按权利要求8所述的方法，其特征在于煅烧后所得的YAG粉体颗粒尺寸200-500nm。
全文摘要
本发明提供了一种分步沉淀法制备YAG纳米粉体的方法，其特征在于采用分析纯Al(NO)3，Y(NO3)3为原料以NH4HCO3为沉淀剂，首先采用反滴工艺，制取氧化铝前驱体，然后将制得的氧化铝前驱体分散在Y(NO3)3溶液中形成悬浊体系，待悬浊体系均匀分散后，逐滴加入NH4HCO3溶液，将得到的沉淀物分别水洗，醇洗三次，再经干燥后即得到YAG前驱体。然后煅烧该前驱体，得到YAG纳米粉体。反之亦然，先制取氧化钇前驱体，然后制取YAG前驱体，由前驱体1050℃煅烧所制得的纳米YAG粉体制备成YAG块体材料具有良好的透光性。
文档编号C04B35/44GK102701722SQ201210038510
公开日2012年10月3日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者寇华敏, 潘裕柏, 王亮, 石云, 郭景坤 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所