專利名稱：分步沉淀法制備yag納米粉體的方法
技術領域：
本發明涉及一種YAG納米粉體的制備方法，更確切地說本發明是采用分步沉淀的方法制備YAG納米粉體，該粉體可用于透明陶瓷的制備。屬于透明陶瓷的制備技術領域。
背景技術：
1995 年，日本科學家 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.]制備出高質量的Nd:YAG透明陶瓷，并首次實現透明陶瓷的激光輸出，同時研制出世界上第一臺NdiYAG陶瓷激光器。與傳統的激光器增益介質晶體和玻璃相比，透明陶瓷具有制備簡單，摻雜濃度高，易實現大尺寸等綜合優勢。激光透明陶瓷的成功制備，大大促進了光學透明陶瓷的發展。1998年，日本神島化學公司成功采用納米粉體技術和真空燒結方法制備出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，米用該方法制備出的Nd = YAG透明陶瓷成功實現透明陶瓷的高效激光輸出[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，基于這一技術，日本的神島化學公司、日本電氣通信大學、俄羅斯科學院的晶體研究所等聯合開發出一系列二極管泵浦的高功率和高效率固體激光器，激光輸出功率從31W提高到72W、88W和I. 46KW，光-光轉化效率從14. 5%提高到 28. 8%、30%和 42%。從目前已有的文獻和專利分析，納米粉體技術結合真空燒結方法具備較明顯的優勢。其中納米粉體的制備是采用共沉淀的方法，前期的研究結果顯示，氧化鋁前驅體和氧化釔前驅體的適宜制備條件不同，而且存在較大的差異，因此本發明嘗試采用分步沉淀的方法制備YAG納米粉體。與傳統的共沉淀法相比，該方法制得的納米粉體具備更高的燒結活性，可制備出更高質量的透明陶瓷。

發明內容
本發明的目的在于提供一種分步沉淀法制備YAG納米粉體的方法，可制得較高燒結活性的納米粉體。本發明是這樣實施的采用Al (NO)3和Y(NO3)3為原料，以NH4HCO3作為沉淀劑，原料和沉淀劑的純度均為分析純。先按照化學計量比稱取原料并稀釋成所需濃度的溶液，其二，采用分步沉淀法，制備一種鋁離子或釔離子金屬離子的沉淀物，經過水洗和陳化后，將制得的沉淀物均勻分散在另一種金屬離子的溶液中充分攪拌后加入沉淀劑溶液形成懸浮液，得到混合沉淀，再經陳化、水洗、醇洗和干燥后得到YAG前驅體。最后將該前驅體進行煅燒，即得到YAG納米粉體。本發明提供的YAG透明陶瓷的制備工藝，如圖I所示，其特征在于
(I)采用分步沉淀的方法，先沉淀一種金屬離子，后將先得到的沉淀物分散于另一種金屬離子溶液中，再加入沉淀劑，得到沉淀混合物，即YAG前驅體。該前驅體經干燥煅燒后即可得到YAG納米粉體。(2)所述的Al或Y的金屬離子溶液的濃度為0. 1-2. 0M。(3)所述的沉淀劑的濃度為0. 1-2. OM ;沉淀劑為NH4HC03。
本發明提供的YAG透明陶瓷的制備工藝的特點是(I)區別于共沉淀法，本發明采用分步沉淀法制備YAG納米粉體。(2)可獲得與共沉淀工藝相當的組分混合均勻性。(3)制得YAG粉體的燒結活性較高。本發明提供了一種分步沉淀法制備YAG納米粉體的方法，其特征在于采用分析純Al (NO)3, Y(NO3)3為原料以NH4HCO3為沉淀劑，首先采用反滴工藝，制取氧化鋁前驅體，然后將制得的氧化鋁前驅體分散在Y(NO3)3溶液中形成懸濁體系，待懸濁體系均勻分散后，逐滴加入NH4HCO3溶液，將得到的沉淀物分別水洗，醇洗三次，再經干燥后即得到YAG前驅體。然后煅燒該前驅體，得到YAG納米粉體。反之亦然，先制取氧化釔前驅體，然后制取YAG前驅體，由前驅體1050°C煅燒所制得的納米YAG粉體制備成YAG塊體材料具有良好的透光性。


圖I實施例I中制備YAG納米粉體的工藝流程；圖2實施例I中制備的YAG前驅體的XRD相變結果；圖3實施例I中制備的YAG納米粉體的FESEM形貌；圖4實施例I中制備的YAG陶瓷的透過率曲線；圖5實施例I中制備的YAG陶瓷的實物照片；圖6實施例2中制備YAG納米粉體的工藝流程；圖7實施例2中制備的YAG前驅體的XRD相變結果；圖8實施例2中制備的YAG納米粉體的FESEM形貌；圖9實施例2中制備的YAG陶瓷的實物照片；圖10對比例I中制備YAG納米粉體的工藝流程；圖11對比例I中制備的YAG前驅體的XRD相變結果；圖12對比例I中制備的YAG納米粉體的FESEM形貌；圖13對比例I中制備的YAG陶瓷的實物照片；圖14對比例2中制備YAG納米粉體的工藝流程；圖15對比例2中制備的YAG前驅體的XRD相變結果；圖16對比例2中制備的YAG納米粉體的FESEM形貌；圖17對比例2中制備的YAG陶瓷的透過率曲線；圖18對比例2中制備的YAG陶瓷的實物照片。
具體實施例方式用下列非限定性實施例進一步說明實施方式及效果實施例I
按照圖I所示的工藝流程，分別取用19. 93g Y (NO3) 3溶液，33. 94gAl (NO3) 3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液為原料。首先稀釋溶液，向33. 94gAl (NO3) 3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液中加入去離子水分別至350mL，400ml和420mL。然后再將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離子的沉淀物。第三步是將得到的沉淀陳化24h，再用去離子水洗兩次，第四步是將Y(NO3) 3溶液加入到第三步經去離子水清洗的沉淀中，后充分攪拌分散形成懸浮液，第五步是將稀釋為420mlNH4HC03溶液以以0. 5-1. 5mL/min的速度加入到包含沉淀物與Y (NO3) 3溶液組成的懸浮液中，即可制得混合沉淀，最后經陳化24h，并分別用去離子水和無水乙醇洗三次，可制得YAG前驅體。該前驅體經煅燒，干燥后可制得YAG納米粉體。將煅燒后粉體過200目篩，在鋼模中采用IOOMPa的壓力預壓得到素坯，再將素坯進行200MPa等靜壓處理。將等靜壓處理后的素坯在真空條件下燒結，溫度1750°C，保溫時間20h。將真空燒結后的樣品在空氣氣氛下退火，溫度1450°C，時間10h。根據圖2中的結果，前驅體經1050°C煅燒可得到YAG粉體。圖3是制得的YAG粉體的透射電鏡形貌。從圖3中可以看出，粉體分散性較好，顆粒尺寸為200nm-500nm。圖4 為樣品的透過率曲線。從圖4中可以看出，制得樣品的透過率在IIOOnm處可達66%，在可見光區域的透過率約為60%。圖5為制得樣品的實物照片，從圖5中可以看出，采用分步沉淀法制得的粉體燒結出的樣品具備較好的透光性能。實施例2按照圖6所示的工藝流程，分別取用19. 93g Y (NO3) 3溶液，33. 94g Al (NO3)3溶液，66. 92g和348. 52g NH4HCO3溶液為原料。首先稀釋溶液，向199. 3gY (NO3)3溶液，Al (NO3)3溶液和66. 92g NH4HCO3溶液中加入去離子水分別至210mL，350ml和400mL。然后將400mL溶液以lmL/min的速度加入Y (NO3) 3溶液中。后將得到的沉淀陳化24h，再用去離子水洗兩次，然后將順4110)3溶液加入制得的沉淀中，后充分攪拌分散，然后將350ml Al (NO3) 3溶液以lmL/min的速度加入到包含沉淀與NH4HCO3溶液的懸濁液中，即可制得混合沉淀，然后經陳化24h，并分別用去離子水和無水乙醇洗三次，可制得YAG前驅體。該前驅體經煅燒，干燥后制得YAG納米粉體。將煅燒后粉體過200目篩，在鋼模中采用IOOMPa的壓力預壓得到素坯，再將素坯進行200MPa等靜壓處理。將等靜壓處理后的素坯在真空條件下燒結，溫度1750°C，保溫時間20h。將真空燒結后的樣品在空氣氣氛下退火，溫度1450°C，時間10h。根據圖7中的結果，前驅體經1350°C煅燒可得到YAG粉體。圖8是制得的YAG粉體的透射電鏡形貌。從圖8中可以看出，顆粒尺寸為200nm-300nm。圖9為制得樣品的實物照片(未拋光)，從圖9中可以看出，采用分步沉淀法制得的粉體燒結出的樣品具備較好的透光性能。實施例I和2，隨僅給出一種濃度的金屬離子和一種沉淀劑濃度的實驗結果，但如按金屬離子濃度0. 1-2. OM和沉淀劑濃度0. 1-2. OM均能獲得如實施例I和2的相類似結果。為更說明本發明提供的分步沉淀的效果，擬提供對比例I (正滴共沉淀)和對比例2 (反滴共沉淀)制備納米YAG粉體的特征，以進一步表明本發明的效果。對比例I圖10為正滴共沉淀法制備YAG納米粉體的工藝流程。按照圖10所示的工藝流程，分別取36. 22mL Y (NO3) 3溶液和89. 02ml Al (NO3) 3溶液，轉入燒杯中，加去離子水至500mL，稱取118. 58gNH4HC03，溶于去離子水中，并加去離子水至1000mL。然后將NH4HCO3溶液以lmL/min的速度加入金屬離子溶液中。將得到的沉淀陳化24h后，分別用去離子水和無水乙醇洗三次，再經干燥可制得YAG前驅體。前驅體經煅燒可制得YAG粉體。YAG陶瓷的成型及燒結條件與實施例I相同。根據圖11中的結果，前驅體經900°C煅燒可得到YAG粉體。圖12是制得的YAG粉體的透射電鏡形貌。從圖12中可以看出，粉體分散性較差，粉體中存在嚴重的團聚現象。顆粒存在兩種尺寸，一種為500nm左右，另一種小于lOOnm。圖13為制得樣品的實物照片，從圖13中可以看出，采用正滴共沉淀法制得的粉體 的燒結性能較差。對比例2圖14為反滴共沉淀法制備YAG納米粉體的工藝流程。按照圖14所示的工藝流程，分別取36. 22mLY (NO3) 3溶液和89. 02mlAl (NO3) 3溶液，轉入燒杯中，加去離子水至500mL，稱取118. 58gNH4HC03，溶于去離子水中，并加去離子水至1000mL。然后將金屬離子溶液以ImL/min的速度加入NH4HCO3溶液中。將得到的沉淀陳化24h后，分別用去離子水和無水乙醇洗三次，再經干燥可制得YAG前驅體。前驅體經煅燒可制得YAG粉體。YAG陶瓷的成型及燒結條件與實施例I相同。根據圖15中的結果，前驅體經1050°C煅燒可得到YAG粉體。圖16是制得的YAG粉體的透射電鏡形貌。從圖16中可以看出，粉體分散性尚可，顆粒尺寸為IOOnm左右。圖17為樣品的透過率曲線。從圖17中可以看出，制得樣品的透過率在IlOOnm處只有15%左右，在可見光區域的透過率約為15-20%。圖18為制得樣品的實物照片，從圖18中可以看出，采用反滴共沉淀法制得的粉體的燒結性能尚可，制備出的YAG陶瓷具備一定的透光性能，但與實施例I相比存在較大的差距。
權利要求
1.一種YAG納米粉體的制備方法，其特征在于采用分步沉淀的方法，先沉淀一種金屬離子，后將先得到的沉淀物分散于另一種金屬離子溶液中，再加入沉淀劑，得到沉淀混合物，即YAG前驅體；所得的YAG前驅體經煅燒后即可得到YAG納米粉體。
2.按權利要求I所述的方法，其特征在于采用Al(NO3)3和Y(NO3)3為原料，以NH4HCO3作為沉淀劑，先按照化學計量比稱取原料并稀釋成所需濃度的溶液，其二采用分步沉淀法先制備一種鋁離子或釔離子金屬離子的沉淀物，經過水洗和陳化后，將制得的沉淀物均勻分散在另一種金屬離子的溶液中充分攪拌后加入沉淀劑溶液形成懸浮液，得到混合沉淀，再經陳化、水洗、醇洗和干燥后得到YAG前驅體；最后將該前驅體進行煅燒，即得到YAG納米粉體。
3.按權利要求2所述的方法，其特征在于所述的金屬離子溶液濃度為O.1-2. 0M。
4.按權利要求I所述的方法，其特征在于所述的沉淀劑濃度為O.1-2. 0M。
5.按權利要求3或4所述的方法，其特征在于所述的原料和沉淀劑的純度為分析純。
6.按權利要求2所述的方法，其特征在于采用分步沉淀法是將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.按權利要求I或2所述的方法，其特征在于前驅體煅燒的溫度為1050°C。
8.按權利要求8所述的方法，其特征在于煅燒后所得的YAG粉體顆粒尺寸200-500nm。
全文摘要
本發明提供了一種分步沉淀法制備YAG納米粉體的方法，其特征在于采用分析純Al(NO)3，Y(NO3)3為原料以NH4HCO3為沉淀劑，首先采用反滴工藝，制取氧化鋁前驅體，然后將制得的氧化鋁前驅體分散在Y(NO3)3溶液中形成懸濁體系，待懸濁體系均勻分散后，逐滴加入NH4HCO3溶液，將得到的沉淀物分別水洗，醇洗三次，再經干燥后即得到YAG前驅體。然后煅燒該前驅體，得到YAG納米粉體。反之亦然，先制取氧化釔前驅體，然后制取YAG前驅體，由前驅體1050℃煅燒所制得的納米YAG粉體制備成YAG塊體材料具有良好的透光性。
文檔編號C04B35/44GK102701722SQ201210038510
公開日2012年10月3日 申請日期2012年2月13日 優先權日2012年2月13日
發明者寇華敏, 潘裕柏, 王亮, 石云, 郭景坤 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所