专利名称：一种无团聚掺杂钇铝石榴石纳米粉体的制备方法
技术领域：
本发明属于精细化工领域，尤其是涉及掺杂钇铝石榴石纳米粉体的制备方法。
背景技术：
钇铝石榴石(YAG)晶体是一种性能优良的激光介质材料，生长YAG晶体需要特殊设备和复杂工艺，晶体尺寸有限；同时由于分凝作用，掺杂激活离子-稀土离子的浓度不能太大，影响激光转换效率的提高。多晶透明陶瓷成本较低，容易制备大尺寸块材和高浓度掺杂离子，因而透明YAG陶瓷成为YAG晶体的很有潜力的取代物。制备透明掺杂YAG陶瓷需要高质量的掺杂YAG粉体，即粉体纯度高、粒径小、粒径分布窄、无团聚。这样有利于降低气孔率，提高陶瓷的致密度与光学性能。YAG除了广泛用作激光材料，还具有优异的高温抗蠕变性能，是一种非常有前途的高温结构陶瓷材料。
国内外制备YAG粉体的方法主要有混合煅烧法、水热法、溶胶凝胶法、沉淀法等。但缺少一种适合大规模生产的方法。如混合煅烧法是把Y2O3和Al2O3按比例混合，在1800℃煅烧才获得YAG粉体，其颗粒大且团聚严重。水热法产量低且纯度差。溶胶-凝胶法多采用醇盐作原料，或采用柠檬酸作胶凝剂，成本较高，不适合大规模生产。沉淀法是较早用来制备YAG粉体的方法，其优点是成本低，但粉体团聚严重，一般采用氨水作沉淀剂或尿素作共沉淀剂，并常添加表面活性剂、真空干燥或冷冻干燥克服团聚问题。也有采用碳酸氢铵作为沉淀剂，但没有引入硫酸铵作为助剂，效果不太理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种大规模生产无团聚、无杂相的掺杂YAG纳米粉体的方法。本发明采用如下技术方案1、本发明制备的粉体组成式为Y3-XReXAl5O12，Re为掺杂稀土元素，将掺杂稀土离子的无机盐水溶液和钇、铝离子的无机盐水溶液混合，生成沉淀。
钇、铝和掺杂稀土离子选用各自的分析纯无机盐，钇的无机盐可用99.99％的Y2O3溶于浓HNO3中而制得。不选用盐酸盐，可避免其氯离子增加粉体的团聚。这三种离子的无机盐水溶液的金属离子摩尔比为3-X∶X∶5(0≤X≤1)，钇、铝和掺杂稀土离子的浓度为0.5-0.005mol/L。上述三种离子的无机盐水溶液的浓度应控制在一定范围，浓度过高粉体容易产生团聚，浓度过低产率低。
前述掺杂稀土离子、钇和铝离子的无机盐水溶液优选硝酸盐水溶液。
不加任何助剂也能得到纳米尺度粉体，但添加硫酸铵可以提高沉淀分散性，减小粉体粒径。添加量约为钇离子摩尔量的0-20％。
2、沉淀过程中pH值控制在5-9，并搅拌，保证稀土离子和铝离子沉淀完全。沉淀剂采用碳酸氢铵水溶液，浓度为0.5-0.005mol/L。
3、沉淀的抽滤抽滤过程中先用去离子水洗涤，是为了除去杂质，如氯离子等，氯离子会增加粉体的团聚，水洗后用有机溶剂洗涤，是为了减少吸附的氢氧根离子，氢氧根离子会增加粉体的团聚。本发明选用无水乙醇作有机溶剂洗剂。
4、干燥干燥的目的是为了除去沉淀吸附的水分和有机溶剂，在普通烘箱中温度100-120℃干燥2-6小时。
5、煅烧煅烧是为了把生成碳酸盐和类碳酸盐沉淀转变成氧化物，热处理温度过低，YAG相转变不完全，产生杂相，热处理温度过高，YAG晶粒生长，颗粒尺度变大，因此热处理温度控制在900-1300℃，时间控制在2-6小时。
用本发明提供的方法，制备的无团聚掺杂钇铝石榴石纳米粉体的粒径为20-100纳米。
图1是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的粉末X-射线衍射图，和下面YAG晶体模拟的粉末X-射线衍射图相比，所有特征峰均为Y3Al5O12相，未出现Y4Al2O9和YAlO3等其它杂相；图2是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的电子衍射照片，衍射点清晰，表明YAG相晶型完整；图3是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的透射电子显微镜照片，基本上无团聚。
与现有技术相比，本发明具有如下优点制备工艺简单，对设备要求低，工艺参数易控制，不必真空干燥；原料均为硝酸盐，成本低，与盐酸盐原料相比，减少了粉体团聚的程度；粉体的纯度高，粒径小，无团聚；掺杂稀土离子容易，效果好。
图1是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体和YAG晶体模拟的粉末X-射线衍射图的比较，其中上图谱为测量的掺钕YAG粉体的粉末X-射线衍射图，下图谱为YAG晶体模拟的粉末X-射线衍射图。
图2是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的电子衍射照片。
图3是平均粒径为30纳米的掺钕YAG粉体的透射电子显微镜照片。
具体实施例方式
实例1把Y(NO3)3和Al(NO3)3分别溶于蒸馏水中，钇和铝离子的浓度分别为0.3mol/L和0.5mol/L，把这两种溶液按金属离子摩尔比为3∶5混合，搅拌下，滴加入过量的碳酸氢铵溶液中(浓度为0.5mol/L)，完毕后得胶状沉淀，pH值为8左右。抽滤，蒸馏水洗2次，无水乙醇洗2次，在110℃干燥4小时，研磨，过筛，然后放在高温炉中，1200℃煅烧4小时，获得纯YAG粉体的平均粒径为50纳米。
实例2把Y(NO3)3，Nd(NO3)3和Al(NO3)3分别溶于蒸馏水中，钇、钕和铝离子的浓度分别为0.3mol/L，0.1mol/L和0.5mol/L，把这三种溶液按金属离子摩尔比为2.9∶0.1∶5.0混合，搅拌下，滴加入过量的碳酸氢铵溶液中(浓度为0.5mol/L)，完毕后得胶状沉淀，pH值为8左右。抽滤，蒸馏水洗2次，无水乙醇洗2次，在110℃干燥4小时，研磨，过筛，然后放在高温炉中，1200℃煅烧4小时，获得掺钕YAG粉体的平均粒径为50纳米。X射线荧光分析(XRF)表明粉体中钇与钕元素的摩尔浓度比(atom％)Y∶Nd约为30∶1。
实例3把Y(NO3)3，Nd(NO3)3和Al(NO3)3分别溶于蒸馏水中，钇、钕和铝离子的浓度分别为0.3mol/L，0.1mol/L和0.5mol/L，把这三种溶液按金属离子摩尔比为2.9∶0.1∶5.0混合，并加入0.1mol/L硫酸铵溶液(添加量约为钇离子摩尔量的10％)，搅拌下，滴加入过量的碳酸氢铵溶液中(浓度为0.5mol/L)，完毕后得胶状沉淀，pH值为8左右。抽滤，蒸馏水洗2次，无水乙醇洗2次，在110℃干燥4小时，研磨，过筛，然后放在高温炉中，1200℃煅烧4小时，获得掺钕YAG粉体的平均粒径为30纳米。X射线荧光分析(XRF)表明粉体中钇与钕元素的摩尔浓度比(atom％)Y∶Nd约为30∶1。
权利要求
1.一种无团聚掺杂钇铝石榴石纳米粉体的制备方法，它包括沉淀、抽滤、干燥、煅烧过程，其特征在于(1)掺杂钇铝石榴石的组成式为Y3-XReXAl5O12，Re为掺杂稀土元素，选用钇、铝和掺杂稀土离子各自相应的无机盐水溶液为原料，钇、铝和掺杂稀土离子的浓度为0.5-0.005mol/L，这三种无机盐水溶液的金属离子摩尔比为3-X∶X∶5(0≤X≤1)；(2)采用碳酸氢铵水溶液为沉淀剂，浓度为0.5-0.005mol/L；(3)沉淀过程伴随搅拌，控制pH值为5-9。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的沉淀过程采用硫酸铵作为助剂，添加量为钇离子摩尔量的0-20％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的无机盐水溶液为钇、铝和掺杂稀土离子的硝酸盐水溶液，不采用其氯化物水溶液。
全文摘要
一种无团聚掺杂钇铝石榴石(YAG)纳米粉体的制备方法，属于精细化工领域。本发明的主要特征是以钇，铝和掺杂稀土离子的硝酸盐水溶液为原料，以碳酸氢铵为沉淀剂，沉淀过滤、干燥，在900－1300℃之间煅烧，可获得平均粒径尺寸30纳米的无团聚，无杂相的掺杂钇铝石榴石粉体。该方法突出特点是原料采用无机盐，不必加表面活性剂，不必真空干燥或冷冻干燥，可得到无团聚，无杂相，高纯度，粒径分布窄的掺杂钇铝石榴石纳米粉体。该方法制备的粉体质量好，工艺简单稳定，生产成本低，易实现大规模生产。
文档编号C30B29/10GK1609045SQ20031010371
公开日2005年4月27日 申请日期2003年10月23日 优先权日2003年10月23日
发明者周有福, 许颜清, 洪茂椿, 陈长章, 李定 申请人:中国科学院福建物质结构研究所