專利名稱：釔鋁石榴石納米粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料技術(shù)。
背景技術(shù)：
釔鋁石榴石(簡(jiǎn)稱YAG，化學(xué)式為Y3Al5O12)，屬于立方晶系，由于其光學(xué)均勻性好、在可見(jiàn)光和紅外光波段具有良好的透光性、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于激光和發(fā)光基質(zhì)材料等領(lǐng)域。以YAG納米粉體為原料制備的YAG透明陶瓷，具有與YAG單晶相媲美的優(yōu)異光學(xué)性能，且相比于單晶，具有摻雜濃度高且均勻性好，生產(chǎn)成本低，形狀自由度大等優(yōu)點(diǎn)，有可能替代單晶成為下一代激光基質(zhì)材料。同時(shí)，Eu3+、Ce3+和Tb3+等離子摻雜的YAG粉體也是性能優(yōu)異的熒光粉材料，在陰極射線管、LED等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。此外，YAG還具有很強(qiáng)的高溫體積穩(wěn)定性，且是已知的抗高溫蠕變最好的氧化物材料之一，因而是一種非常有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。 高純、顆粒大小均勻、分散性好的類球形YAG納米粉體，有助于提高熒光粉的發(fā)光特性及發(fā)光效率；在功能陶瓷制備方面，有助于燒結(jié)過(guò)程中氣孔的排除，減少第二相和缺陷的生成，從而提高陶瓷的透光性；在結(jié)構(gòu)陶瓷制備方面，能夠使陶瓷在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)致密化，從而有效抑制晶粒長(zhǎng)大，獲得均勻細(xì)致的顯微結(jié)構(gòu)。因此，制備出性能優(yōu)良的YAG粉體，是實(shí)現(xiàn)其在應(yīng)用方面獲得高性能至關(guān)重要的一步。國(guó)內(nèi)外制備YAG粉體的方法主要有固相法、水熱法、燃燒法、溶膠凝膠法、沉淀法等。固相法通常需要將原料反復(fù)球磨和長(zhǎng)時(shí)間在1600°C左右煅燒以消除YAM(Y4Al2O9)和YAP(YAlO9)中間相，因此該法合成溫度高，容易引入雜質(zhì)，粉體顆粒大且團(tuán)聚嚴(yán)重；水熱法產(chǎn)量低、純度差，且對(duì)設(shè)備等條件要求嚴(yán)格；燃燒法很容易在燃燒過(guò)程中引入碳元素，使產(chǎn)物純度不高，此外由于燃燒過(guò)程的劇烈性和爆炸性，導(dǎo)致產(chǎn)物顆粒的形狀和大小難以控制；溶膠凝膠法一般需要醇鹽作為原料，而醇鹽毒性大、價(jià)格高、易造成環(huán)境污染，不適合大規(guī)模生產(chǎn)；沉淀法是液相化學(xué)反應(yīng)合成金屬氧化物及其化合物粉體材料最普通的方法，由于其在離子狀態(tài)下混合，可以比機(jī)械混合法更均勻，并且減少摻入雜質(zhì)的機(jī)會(huì)，使精確控制化學(xué)計(jì)算較容易，而且顆粒形貌可以根據(jù)反應(yīng)條件進(jìn)行控制，因而其是一種經(jīng)濟(jì)適用、有效的粉體制備方法。沉淀法主要包括均相沉淀法和共沉淀法。均相沉淀法是利用沉淀劑在溶液中緩慢的生成而實(shí)現(xiàn)均勻沉淀，一般使用尿素為沉淀劑在升溫后水解產(chǎn)生OH-生成沉淀。張華山等以鋁和釔的硝酸鹽溶液為原料，尿素為沉淀劑，其中尿素用量為濃度比[Urea]/[M3+]=150:1, (NH4)2SO4與聚乙二醇為分散劑，正硅酸乙酯為添加劑，在95°C的水浴中生成沉淀，最后通過(guò)共沸等工藝制備出YAG前驅(qū)體，在120(TC煅燒2h獲得純相YAG納米粉體(功能材料，2004，增刊(35) :2774 - 2777)。該方法雖實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物原子尺寸的均勻混合，但合成時(shí)間長(zhǎng)，耗能大，要求高的尿素濃度與混合金屬離子濃度比，煅燒溫度也偏高，效力低且易造成環(huán)境污染，不適宜工業(yè)生產(chǎn)。共沉淀法又分為正滴定和反滴定兩種方式，但無(wú)論是米用正滴定還是反滴定方式，在反應(yīng)過(guò)程中都需精確控制滴加速度，以及及時(shí)檢測(cè)反應(yīng)的終止pH值，對(duì)這些條件的精確控制是獲得性能良好的YAG粉體的關(guān)鍵(無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2001，16(4) :630 - 634 ;硅酸鹽學(xué)報(bào)，2003，31 (5) :490-493 ;功能材料，2006，37 (I) :66 -69 JAlloys Compd,2010,503:525 - 528)。中國(guó)專利03112160. 8公開(kāi)的工藝是利用鋁和釔的無(wú)機(jī)鹽為原料，以NH4HCO3或NH3 ·Η20為沉淀劑，采用正滴定方式，同時(shí)控制合適pH，先制備出鋁和釔的水合物，經(jīng)洗滌后加入適量分散劑和晶形控制劑并分散于有機(jī)溶劑的水溶液中，然后在密閉容器內(nèi)加熱至一定溫度合成YAG納米微粉。中國(guó)專利200510110760. 9公開(kāi)的工藝是以Al (NO3) 3和Y (NO3) 3為原料，NH4HCO3為沉淀劑，采用反滴定方式，控制滴速< 3mL/min,沉淀體系ρΗ> 7. 8獲得沉淀,經(jīng)抽濾、洗漆、烘干后，采用分段升溫的煅燒方式獲得YAG納米粉。中國(guó)專利201010186604. I公開(kāi)工藝是將金屬離子混合溶液以2 5mL/min滴加到沉淀劑NH4HCO3或NH3 -H2O中，在pH值8 10下攪拌得沉淀物，經(jīng)抽濾、洗滌、烘干得前驅(qū)體， 前驅(qū)體再經(jīng)預(yù)燒和煅燒過(guò)程，在1100°C獲得純YAG相。以上文章和專利中，采用共沉淀法制備YAG粉體的過(guò)程中，都需要精確控制滴加速度及PH值等參量，且還需要輔助一些特殊的工藝來(lái)獲得YAG粉體，工藝復(fù)雜，需控制變量多，不利于YAG粉體的工業(yè)化生產(chǎn)。如果能夠簡(jiǎn)化工藝操作流程，減少控制參量，不僅可以大大降低生產(chǎn)成本，提升效率，而且還有助于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，使其更有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化
批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，制備的YAG粉體具有良好的穩(wěn)定性。本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于，包括下述步驟I)以分析純的 Al (NO3) 3 · 9H20、Y (NO3) 3 · 6H20 和 NH4HCO3 為原料，分別配置Al (NO3) 3 · 9H20水溶液、Y (NO3) 3 · 6H20水溶液和NH4HCO3水溶液，其中釔和鋁的硝酸鹽溶液濃度符合[Y3+] [Al3+] =3:5，且濃度分別為[Y3+] =0. 03 O. 15mol/L、[Α13+]=0. 05 O. 25mol/L，[NH4HCO3I=L 00 2· OOmoI/L ；2)分別量取等體積釔和鋁的硝酸鹽溶液混合均勻，密封后在(T100°C下攪拌至恒溫，并維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)待用；3)量取與步驟2)中鋁的硝酸鹽溶液等體積的NH4HCO3溶液，并加入占總原料質(zhì)量比O. Γ1. 0wt%的十二烷基苯磺酸做分散劑，攪拌均勻后待用；“總原料質(zhì)量”是指步驟I)中分析純的 Al (NO3) 3 · 9H20、Y (NO3) 3 · 6H20 和 NH4HCO3 的質(zhì)量之和。4)將步驟3)獲得的混合沉淀劑溶液一次性注入步驟2)的混合原料溶液中，在注入的同時(shí)伴以劇烈攪拌；5)將步驟4)獲得的反應(yīng)溶液繼續(xù)劇烈攪拌2飛h，陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液；6)將步驟5)獲得的乳白色膠狀沉淀溶液超聲處理f 3h ；7)將步驟6)獲得的沉淀真空抽濾，并用去離子水和乙醇各沖洗2飛次；8)將步驟7)獲得的沉淀在80°C條件下干燥12 24h后，研磨過(guò)篩待用；
9)將步驟8)所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中于70(Tl200°C之間煅燒2飛h，得到所需YAG納米粉體。進(jìn)一步的，步驟I)中，三種溶液的濃度分別為[Y3+]=0. 09mol/L、[Al3+] =0. 15mol/L, [NH4HCO3] = I. 00 2· OOmoI/L0三種溶液為去離子水溶液。本發(fā)明的有益效果在于I)減少了工藝控制參量，從而簡(jiǎn)化了工藝操作流程，提高了效率；2)由于反應(yīng)處于較低的水浴環(huán)境中，降低了環(huán)境溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，加之工藝控制參數(shù)減少，從而有助于提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性；3)本工藝制備的YAG前驅(qū)體在800°C煅燒即獲得YAG結(jié)晶相，在900°C煅燒獲得純 相YAG，降低了粉體的燒結(jié)溫度；4)該工藝簡(jiǎn)單易操作，無(wú)須真空干燥、冷凍干燥等特殊設(shè)備，且原料均為分析純，成本低且易獲取，對(duì)環(huán)境污染小，符合工業(yè)化生產(chǎn)要求。


圖I是實(shí)施例3所制備前驅(qū)體在不同溫度下煅燒2h所獲產(chǎn)物的XRD圖譜； 圖2是實(shí)施例I、實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4在800 V下煅燒2h所獲產(chǎn)物的XRD圖譜；圖3是實(shí)施例I、實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4在900 °C下煅燒2h所獲產(chǎn)物的XRD圖譜；圖4是實(shí)施例3所制備前驅(qū)體在800°C、900°C、1000°C下煅燒2h所獲YAG納米粉體SEM圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是對(duì)傳統(tǒng)共沉淀法制備YAG粉體工藝的改進(jìn)，通過(guò)對(duì)工藝條件的優(yōu)化改進(jìn)，將共沉淀法的加料方式由滴加改為了一次性注入，省去對(duì)滴加速度及PH值等參量的監(jiān)控，同時(shí)整個(gè)反應(yīng)體系處于較低的水浴環(huán)境中，不僅有利于獲得性能優(yōu)異的納米粉體，還大大降低了環(huán)境溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，從而保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。并且通過(guò)該方法制備的YAG前驅(qū)體在800°C煅燒即獲得YAG結(jié)晶相，在900°C煅燒獲得純相YAG。本發(fā)明采用的技術(shù)方案步驟如下I)以分析純的Al (NO3)3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3為原料，分別精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3)3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液，其中釔和鋁的硝酸鹽溶液濃度嚴(yán)格按[Y3+] [A13+]=3:5，且他們的濃度分別為[Y3+]=0. 03、. 15mol/L、[Al3+] =0. 05 O. 25mol/L, [NH4HCO3] = I. 00 2· OOmoI/L ；2)分別量取等體積釔和鋁的硝酸鹽溶液混合均勻，密封后在(T100°C下攪拌至恒溫，并維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)待用；3)量取與步驟2)等體積NH4HCO3溶液，并加入占總原料質(zhì)量比O. Γ . 0wt%的十二烷基苯磺酸(C18H3tlSO3)做分散劑，攪拌均勻后待用；4)將步驟3)獲得的混合沉淀劑溶液一次性注入步驟2)的混合原料溶液中，在注入的同時(shí)伴以劇烈攪拌；5)將步驟4)獲得的反應(yīng)溶液繼續(xù)劇烈攪拌2飛h，陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液；6)將步驟5)獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理f 3h ；7)將步驟6)獲得的沉淀真空抽濾，并用去離子水和乙醇各沖洗2飛次；8)將步驟7)獲得的沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條件下干燥12 24h后，置于陶瓷研缽中研磨過(guò)篩待用；9)將步驟8)所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中于70(Tl200°C之間煅燒2飛h，得到所需YAG納米粉體。實(shí)施例I·
精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3) 3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液，濃度分別為[Y3+]=0.09mol/L、[Al3+]=0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 92mol/L ;分別量取250ml Al (NO3) 3> Y(NO3)3溶液混合均勻，密封后置于0°C冰浴條件下攪拌預(yù)冷至恒溫，并維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)待用；量取250ml NH4HCO3溶液，并往其中加入占總原料質(zhì)量比O. 1被％的十二烷基苯磺酸(C18H3tlSO3)，攪拌均勻后待用；將NH4HCO3與C18H3tlSO3的均混溶液一次性注入劇烈攪拌的釔和鋁的硝酸鹽均混溶液中，密封后于冰浴中繼續(xù)劇烈攪拌4h，陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液；將獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理Ih ;將超聲處理后的沉淀溶液真空抽濾，并用去離子水和乙醇各沖洗3次；將獲得的白色沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條件下干燥12h ;將干燥得到的YAG前驅(qū)體粉體置于陶瓷研缽中研磨過(guò)200目篩；將最終所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中分別于800°C、900°C煅燒2h，得到所需YAG納米粉體。實(shí)施例2精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3) 3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液，濃度分別為[Y3+]=0.09mol/L、[Al3+]=0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 92mol/L ;分別量取250ml Al (NO3) 3、Y (NO3) 3溶液，在室溫(約25°C )條件下密封后攪拌混合均勻，并維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)待用；量取250ml NH4HCO3溶液，并往其中加入占總原料質(zhì)量比O. lwt%的十二烷基苯磺酸(C18H30SO3)，攪拌均勻后待用；將NH4HCO3與C18H3tlSO3的均混溶液一次性注入劇烈攪拌的釔和鋁的硝酸鹽均混溶液中，密封后繼續(xù)劇烈攪拌4h，陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液；將獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理Ih ;將超聲處理后的沉淀溶液真空抽濾，并用去離子水和乙醇各沖洗3次；將獲得的白色沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條件下干燥12h ;將干燥得到的YAG前驅(qū)體粉體置于陶瓷研缽中研磨過(guò)200目篩；將最終所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中分別于800°C、900°C煅燒2h，得到所需YAG納米粉體。實(shí)施例3精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3) 3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液，濃度分別為[Y3+]=0.09mol/L、[Al3+]=0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 92mol/L ;分別量取250ml Al (NO3) 3、Y (NO3) 3溶液混合均勻，密封后置于50°C水浴條件下攪拌預(yù)熱至恒溫，并維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)待用；量取250ml NH4HCO3溶液，并往其中加入占總原料質(zhì)量比O. 1被％的十二烷基苯磺酸(C18H3tlSO3)，攪拌均勻后待用；將NH4HCO3與C18H3tlSO3的均混溶液一次性注入劇烈攪拌的釔和鋁的硝酸鹽均混溶液中，密封后于水浴中繼續(xù)劇烈攪拌4h，陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液；將獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理Ih ;將超聲處理后的沉淀溶液真空抽濾，并用去離子水和乙醇各沖洗3次；將獲得的白色沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條件下干燥12h ;將干燥得到的YAG前驅(qū)體粉體置于陶瓷研缽中研磨過(guò)200目篩；將最終所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中分別于700°C、800°C、900°C、1000°C煅燒2h，得到所需YAG納米粉體。實(shí)施例4精確稱取一定質(zhì)量的Al (NO3) 3 · 9H20、Y(NO3)3 · 6H20和NH4HCO3用去離子水配制成溶液，濃度分別為[Y3+]=0.09mol/L、[Al3+]=0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 92mol/L ;分別量取250ml Al (NO3)3J(NO3)3溶液混合均勻，密封后置于75°C水浴條件下攪拌預(yù)熱至恒溫，并維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)待用；量取250ml NH4HCO3溶液中，并往其中加入占總原料質(zhì)量比O. lwt%的十二烷基苯磺酸(C18H3tlSO3)，攪拌均勻后待用；將NH4HCO3與C18H3tlSO3的均混溶液一次性注入劇烈攪拌的釔和鋁的硝酸鹽均混溶液中，密封后于水浴中繼續(xù)劇烈攪拌4h，陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液；將獲得的乳白色膠狀沉淀溶液繼續(xù)超聲處理Ih ;將超聲處理后的沉淀溶液真空抽濾，并用去離子水和乙醇各沖洗3次；將獲得的白色沉淀在鼓風(fēng)干燥箱中于80°C條 件下干燥12h ;將干燥得到的YAG前驅(qū)體粉體置于陶瓷研缽中研磨過(guò)200目篩；將最終所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中分別于800°C、900°C煅燒2h，得到所需YAG納米粉體。
權(quán)利要求
1.釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于，包括下述步驟1)以分析純的Al (NO3) 3 · 9H20、Y (NO3) 3 · 6H20 和 NH4HCO3 為原料，分別配置 Al (NO3) 3 · 9H20水溶液、Y (NO3) 3 · 6H20水溶液和NH4HCO3水溶液，其中釔和鋁的硝酸鹽溶液濃度符合[Y3+]: [Al3+] =3:5，且濃度分別為[Υ3+]=0· 03 O. 15mol/L、[Al3+] =0. 05 O. 25mol/L，[NH4HCO3I=L 00 2· OOmoI/L ； 2)分別量取等體積釔和鋁的硝酸鹽溶液混合均勻，密封后在(Γ ΟΟ 下攪拌至恒溫，并維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)待用； 3)量取與步驟2)中鋁的硝酸鹽溶液等體積的NH4HCO3溶液，并加入占總原料質(zhì)量比O.Γ1. 0wt%的十二烷基苯磺酸做分散劑，攪拌均勻后待用； 4)將步驟3)獲得的混合沉淀劑溶液一次性注入步驟2)的混合原料溶液中，在注入的同時(shí)伴以劇烈攪拌； 5)將步驟4)獲得的反應(yīng)溶液繼續(xù)劇烈攪拌2飛h，陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液； 6)將步驟5)獲得的乳白色膠狀沉淀溶液超聲處理f3h ； 7)將步驟6)獲得的沉淀真空抽濾，并用去離子水和乙醇各沖洗2飛次； 8)將步驟7)獲得的沉淀在80°C條件下干燥12 24h后，研磨過(guò)篩待用； 9)將步驟8)所獲得YAG前驅(qū)體粉體在空氣氣氛中于70(Tl200°C之間煅燒2飛h，得到所需YAG納米粉體。
2.如權(quán)利要求I所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟I)中，三種溶液的濃度分別為 [Y3+] =0. 09mol/L、[Al3+] =0. 15mol/L, [NH4HCO3] =1. 00 2· OOmoI/L0
3.如權(quán)利要求I所述的釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，其特征在于，所述步驟I)中，三種溶液為去離子水溶液。
全文摘要
釔鋁石榴石納米粉體的制備方法，涉及材料技術(shù)。本發(fā)明包括下述步驟1)配置Al(NO3)3·9H2O水溶液、Y(NO3)3·6H2O水溶液和NH4HCO3水溶液；2)分別量取等體積釔和鋁的硝酸鹽溶液混合均勻；3)量取與步驟2)中鋁的硝酸鹽溶液等體積的NH4HCO3溶液，并加入占總原料質(zhì)量比0.1~1.0wt%的十二烷基苯磺酸做分散劑，攪拌均勻后待用；4)將步驟3)獲得的混合沉淀劑溶液一次性注入步驟2)的混合原料溶液中，在注入的同時(shí)伴以劇烈攪拌；5)將步驟4)獲得的反應(yīng)溶液繼續(xù)劇烈攪拌2~6h，陳化形成乳白色膠狀沉淀溶液；6)超聲處理；7)真空抽濾，沖洗；8)干燥，研磨過(guò)篩；9)煅燒。本發(fā)明減少了工藝控制參量，從而簡(jiǎn)化了工藝操作流程，提高了效率。
文檔編號(hào)C04B35/626GK102898148SQ20121039506
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者曹林洪, 馬飛 申請(qǐng)人:西南科技大學(xué)