专利名称：一种掺钕钇铝石榴石纳米粉体的制备方法
技术领域：
本发明是一种掺钕钇铝石榴石纳米粉体的制备方法，涉及一种多组分盐溶液与沉淀剂溶液在微管道中连续高速流动混合后发生快速沉淀反应，制备出前驱体，此后再进一步进行煅烧获得Nd: YAG纳米粉体，主要应用于激光透明陶瓷制备。
背景技术：
钇铝石榴石单晶属于等轴晶系，具有光学均匀性，无双折射效应，是一种性能优良的激光介质材料，但是单晶生长周期长，成本昂贵，而且很难获得高品质、大尺寸的晶体；同时由于分凝作用，掺杂激活离子一稀土离子的浓度不能太高，影响激光转换效率的提高。而多晶Nd:YAG透明陶瓷由于在制备技术和材料等方面具有单晶激光材料无法比拟的优势， 必将得到广泛的关注从而成为Nd:YAG晶体极具潜力的替代物。Nd:YAG透明陶瓷的制备对粉体的要求极为严格，无论是作为粉体直接应用还是制作陶瓷块体材料，都要求粉体纯度高、各离子组分掺杂比较均匀、无团聚、烧结活性高。传统合成Nd:YAG粉体主要是固相法，目前所报道的固相反应法[吴建鹏，曹丽云，黄剑锋等.一种固相反应制备YAG透明陶瓷粉体的方法CN 101486574A. 2009-07-22]通常需要较高的反应温度和较长的反应时间，而且固相法在制备过程中各离子组分掺杂不均匀，容易出现中间相，难以制备出均相和高烧结活性的粉体。化学沉淀法是现在使用最普遍的一种制备 Nd: YAG粉体的湿化学方法，但是传统滴加加料的化学沉淀法，盐溶液与沉淀剂混合时的液滴大，溶液接触时在微观上产生较大浓度梯度，而且溶液中Y3+，Al3+的溶度积的不同，所以很难使前躯体中的多种离子同时沉淀并形成均匀分布，从而直接影响获得Nd:YAG纯相粉体以及后期透明陶瓷的光学均匀性。另外虽然过去微通道尺寸反应器已经用于液相与液相之间的反应，但一般很少用于制备固体物质，这主要是由于反应生成的固体很容易堵塞微通道，从而无法进行连续的反应。
发明内容
本发明的目的是针对现有化学沉淀法用于多组分反应容易由于浓度梯度和溶剂差造成偏析，从而导致微观组分不均匀的问题，提供一种掺钕钇铝石榴石纳米粉体的制备方法。本发明的目的是通过以下技术步骤实现的。一种掺钕钇铝石榴石纳米粉体的制备方法，依次包括如下步骤
a.将原料按照Ndx3+:Y3_x3+: Al53+的比例以无机盐溶液的形式混合，其中X的范围为
1% 4%。b.混合盐溶液在一定的温度下与沉淀剂溶液均匀混合反应。c.沉淀物经陈化、洗涤、干燥后得到前驱体。d.前驱体在900°C 1200°C下进行煅烧得到Nd = YAG纳米粉体。
上述合成NchYAG纳米粉体的方法中，步骤a所述的无机盐溶液为盐酸盐、硝酸盐或者硫酸盐，且Y3+和Al3+浓度范围分别为O. 06 O. 3mol/L和O. I O. 5mol/L。上述合成NchYAG纳米粉体的方法中，步骤b中所述的沉淀剂为碳酸氢铵、尿素、碳酸铵或者氨水，且沉淀剂的用量是过量的。上述合成NchYAG纳米粉体的方法中，采用尿素为沉淀剂时，必须将反应温度提升至80°C以上。上述合成NchYAG纳米粉体的方法中，步骤b中所述的盐溶液与沉淀剂溶液之间的均匀混合过程是通过各组分液体在压力驱动下，在微尺寸管道内高速流动的过程中实现的。微尺寸管道的直径范围为O. 2mm I. Omm,连续细流的流速范围为lmm/s 1000mm/s。普通沉淀法用于多组分体系很容易偏析造成沉淀物微观组分不均匀，并在煅烧过程中形成杂质晶相。本发明采用微通道内微流体高速流动下进行均匀混合的方法，可以减小并消除多组分盐溶液和沉淀剂混合过程中产生的浓度梯度，从而实现各离子组分的同时沉淀和均匀分布。另外本发明中采用压力驱动方法使流体处于高速流动状态，且所制备的固体前驱体物质为纳米粒子，在合适的浓度下能够实现完全不堵塞，因而在工艺上可以连续化和批
量化生产。
图I是微反应体系示意图2是按实施例I, 2，3，4，5分别制取的NdiYAG粉体的XRD曲线对比图3是按实施例4制取的Nd = YAG粉体的SEM照片；
图4是按实施例5制取的Nd = YAG粉体的SEM照片；
图中，I.高压泵、2.高压泵，3储液瓶、4储液瓶，5.微反应器，6.温度控制器，7.物料收集器。
具体实施例方式下面结合实例对本发明进一步说明。本发明是通过多组分盐溶液(Nd3+，Y3+，Al3+)与沉淀剂溶液在微管道中连续高速流动混合后发生快速沉淀反应，将得到的沉淀物陈化、洗涤、干燥，然后进行煅烧获得 Nd: YAG纳米粉体。微反应体系示意图见图1，具体步骤如下
实施例I
溶液的制备把Nd2O3溶于稀硝酸中，YCljP Al (NO3)3溶于去离子水中。将这三种溶液按照金属离子摩尔比O. 03Nd3+:2. 97Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的浓度分别为
O.003mol/L，0. 297mol/L 和 O. 5mol/L。氨水用去离子水以 1:10 稀释。反应盐溶液和沉淀剂溶液通过直径为O. 4mm的微管道进行连续高速流动混合后发生快速沉淀反应，过程中盐溶液和沉淀剂溶液的流速分别为lOmm/s和125mm/s。将得到的沉淀物陈化、洗涤、干燥，然后在马弗炉中于900°C煅烧，保温4h，得到粉体样品。X射线衍射结果表明，实验得到的样品为单相Nd:YAG纳米粉体(见图2中曲线a)。实施例2溶液的制备把Nd2O3溶于稀盐酸中，YCl3和Al2 (SO4) 3溶于去离子水中，将这三种溶液按照金属离子摩尔比O. 03Nd3+:2. 97Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的浓度分别为
O.003mol/L,0. 297mol/L和O. 5mol/L。碳酸铵用去离子水配制成浓度为O. 5mol/L的溶液。反应盐溶液和沉淀剂溶液通过直径为O. 6mm的微管道进行连续高速流动混合后发生快速沉淀反应，过程中盐溶液和沉淀剂溶液的流速分别为20mm/s和160mm/s。将得到的沉淀物陈化、洗涤、干燥，然后在马弗炉中于900°C煅烧，保温4h。X射线衍射结果表明，实验得到的样品为单相Nd:YAG纳米粉体(见图2中曲线b)。实施例3
溶液的制备把Nd2O3溶于稀盐酸中，Y2 (SO4) 3和AlCl3溶于去离子水中，将这三种溶液按照金属离子摩尔比O. 06Nd3+:2. 94Y3+:5A13+的比例混合均匀，Nd3+、Y3+、Al3+的浓度分别为O. 006mol/L,0. 294mol/L和O. 5mol/L。尿素用去离子水配制成浓度为lmol/L的溶液， 并水浴加热到90°C。反应盐溶液和沉淀剂溶液通过直径为O. 8mm的微管道进行连续高速流动混合后发生快速沉淀反应，过程中盐溶液和沉淀剂溶液的流速分别为15mm/s和180mm/s。将得到的沉淀物陈化、洗涤、干燥，然后在马弗炉中于1000°C煅烧，保温4h。X射线衍射结果表明，实验得到的样品为单相Nd:YAG纳米粉体(见图2中曲线C)。实施例4
溶液的制备把Nd2O3溶于稀硝酸中，Y(NO3)3和Al (NO3)3溶于去离子水中，将这三种溶液按照金属离子摩尔比O. 03Nd3+:2. 97Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的浓度分别为O. 003mol/L, O. 297mol/L和O. 5mol/L。碳酸氢铵用去离子水配制成浓度为O. 45mol/L的溶液。反应盐溶液和沉淀剂溶液通过直径为O. 6mm的微管道进行连续高速流动混合后发生快速沉淀反应，过程中盐溶液和沉淀剂溶液的流速分别为20mm/s和250mm/s。将得到的沉淀物陈化、洗涤、干燥，然后在马弗炉中于1000°C煅烧，保温4h。X射线衍射结果表明，实验得到的样品为单相Nd:YAG纳米粉体(见图2中曲线d)。 扫描电子显微观察表明，粉体为平均粒径约为60nm的近球形的多面体颗粒(见图3)。实施例5
溶液的制备把Nd2O3和Y2O3溶于稀硝酸中，Al (NO3)3溶于去离子水中，将这三种溶液按照金属离子摩尔比O. 06Nd3+:2. 94Y3+:5A13+的比例混合均勻，Nd3+、Y3+、Al3+的浓度分别为
O.006mol/L,0. 294mol/L和O. 5mol/L。碳酸氢铵用去离子水配制成浓度为O. 45mol/L的溶液。反应盐溶液和沉淀剂溶液通过直径为O. 8mm的微管道进行连续高速流动混合后发生快速沉淀反应，过程中盐溶液和沉淀剂溶液的流速分别为20mm/s和140mm/s。将得到的沉淀物陈化、洗涤、干燥，然后在马弗炉中于1000°C煅烧，保温4h。X射线衍射结果表明，实验得到的样品为单相Nd:YAG纳米粉体(见图2中曲线e)。 扫描电子显微观察表明，粉体为平均粒径约为50nm的近球形的多面体颗粒(见图4)。
权利要求
1.一种掺钕钇铝石榴石纳米粉体的制备方法，其特征在于，所述的制备方法依次包括如下步骤a.将原料按照Ndx:Y3_x:Al5的比例以无机盐溶液的形式混合，其中X的范围为1% 4% ；b.混合盐溶液在一定的温度下与沉淀剂溶液均匀混合反应；c.沉淀物经陈化、洗涤、干燥后得到前驱体；d.前驱体在900°C 1200°C下进行煅烧得到NchYAG纳米粉体。
2.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤a中所述的无机盐溶液为盐酸盐、硝酸盐或者硫酸盐，且Y3+和Al3+浓度范围分别为O. 06 O. 3mol/L和O. I O.5mol/L。
3.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤b中所述的沉淀剂为碳酸氢铵、尿素、碳酸铵或者氨水，且沉淀剂的用量是过量的。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的沉淀剂为尿素时，将反应温度升高至80°C以上。
5.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤b中所述的盐溶液与沉淀剂溶液之间的均匀混合过程是通过各组分液体在压力驱动下，在微尺寸管道内高速流动的过程中实现。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的微尺寸管道直径范围为O.2mm I. Omnin
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的液体高速流动连续细流的流速范围为1 mm/s 1000mm/s。
全文摘要
一种掺钕钇铝石榴石纳米粉体的制备方法，属于无机材料制备领域。本发明是采用一种多组分盐溶液(Nd3+,Y3+,Al3+)与沉淀剂溶液在微管道中连续高速流动混合后发生快速沉淀反应，得到的沉淀经过洗涤、干燥制备出前驱体，此后再进一步进行煅烧获得Nd:YAG纳米粉体。本发明方法实现了液体之间离子水平均匀混合，能够消除产物偏析。合成的Nd:YAG纳米粉体物相纯净，分散均匀，颗粒形状规则。
文档编号C04B35/44GK102603281SQ20121008054
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者杨光成, 王莉莉, 聂福德, 谯志强, 陈瑾 申请人:中国工程物理研究院化工材料研究所