共沉淀法制備釔鋁石榴石納米粉體＊

2013-12-11 05:08李小燕劉桔英

材料研究與應(yīng)用 2013年2期

馮斌，李小燕，劉桔英，周耀

佛山市陶瓷研究所，廣東佛山 528031

釔鋁石榴石Y3Al5O12（YAG），具有立方石榴石結(jié)構(gòu)，單晶YAG因其優(yōu)良的光學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)被廣泛用作激光和其它發(fā)光基礎(chǔ)材料.摻雜Nd的YAG透明陶瓷材料是近十幾年來激光工作物質(zhì)制備領(lǐng)域最為重要的創(chuàng)新成果.相對于單晶，多晶YAG陶瓷具有更好的光學(xué)性能和高溫力學(xué)性能，且制備工藝簡單、成本低廉［1－2］，可替代單晶 YAG.

純度高、分散性好、無團(tuán)聚、粒度均勻的納米YAG粉體是制備透明YAG多晶陶瓷的關(guān)鍵之一［3－5］.目前，制備透明陶瓷 YAG 粉體的方法主要分為固相反應(yīng)法和濕化學(xué)法兩大類.濕化學(xué)法在制備大尺寸、高功率激光透明陶瓷方面，比固相反應(yīng)法更具優(yōu)勢，而采用濕化學(xué)法制備Nd︰YAG透明陶瓷的首要條件是制備性能優(yōu)異的納米粉體.其粉體的制備方法有：水熱（溶劑熱）法［6］、溶膠－凝膠法［7］、燃燒法［8－9］、熱解法［10－11］和沉淀法［12］等.共沉淀法是目前制備Nd︰YAG前驅(qū)體納米粉體較為成熟的工藝之一，其方法簡單、成本低廉、易于控制.本文采用共沉淀法，以鋁和釔的硝酸鹽為原料，以碳酸氫銨為沉淀劑，以PEG為分散劑，制備出了粒度小、粒徑均勻、分散性好的納米Nd︰YAG粉體.

1 制備粉體

將 Al（NO3）3·9H2O（分析純）、Y（NO3）3·6H2O（分析純）和 Nd（NO3）3·H2O（分析純）按一定比例配成混合溶液，將NH4HCO3配成一定濃度的溶液，將所配制的混合溶液滴加到NH4HCO3溶液中，邊滴加邊攪拌，獲取沉淀物.在滴加攪拌的過程中以NH3·H2O維持溶液的pH≈8.滴定完后繼續(xù)攪拌1h，使其充分反應(yīng)，沉淀在室溫下熟化24 h后，對其進(jìn)行抽濾、水洗、醇洗、干燥，在1100℃下煅燒3h，即得Nd︰YAG粉體.

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑對粉體性能的影響

按上述共沉淀法制備的YAG納米粉體顆粒易團(tuán)聚，為避免粉體顆粒的團(tuán)聚，需加入分散劑.分別以PEG（400）和硫酸銨為分散劑考察分散劑對粉體性能的影響.圖1為采用不同分散劑所制備的YAG粉體的X射線衍射圖譜.由圖1可知，所得產(chǎn)物為純YAG相，XRD圖譜中的每一條衍射峰都很好地對應(yīng)YAG的特征衍射峰（標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片33－0040），無雜相.

圖1 不同分散劑所得YAG粉體的XRD圖（a）無分散劑；（b）硫酸銨；（c）PEGFig.1 The XRD of YAG powders with different dispersants（a）no dispersant；（b）ammonium sulfate；（c）polyethylene glycol

圖2 為不同分散劑所得YAG粉體的SEM圖.由圖2可知，不加分散劑時所得的YAG粒徑約為100nm.當(dāng)以硫酸銨為分散劑時，所得YAG粉體顆粒的粒徑約為80nm，顆粒分布均勻性較好.當(dāng)以PEG為分散劑時，所得YAG粉體顆粒的粒徑約為50nm，粉體顆粒分布更均勻.

由于硫酸銨在溶液中電離出的SO2－4離子會吸附在沉淀粒子的表面，在粒子間產(chǎn)生靜電作用；在燒結(jié)過程中，有機物分解時釋放出的CO2和N2等氣體也有分散作用，都能有效地減輕硬團(tuán)聚，因此，以硫酸銨為分散劑所得的粉體具有較好的分散性和較小的顆粒尺寸.

PEG（HO—（CH2—CH2—O）n—H）是一種水溶性非離子表面活性劑，它的分子結(jié)構(gòu)是鋸齒形的長鏈，其中—O—親水，—CH2CH2—親油，當(dāng)PEG溶于水時，鋸齒形長鏈變得曲折，C—O—C中的氧原子可與水中的H＋結(jié)合生成OH－，大量的OH－離子吸附在沉淀粒子表面，抑制了YAG顆粒的硬團(tuán)聚，因此，所得到的YAG粉體的粒徑小且分散均勻.

圖2 不同分散劑所制得的YAG粉體SEM圖（a）無分散劑；（b）硫酸銨；（c）PEGFig.2 The SEM images of YAG powder with different dispersant（a）No dispersant；（b）ammonium sulfate；（c）polyethylene glycol

2.2 鋁釔釹硝酸鹽混合液初始濃度對粉體性能的影響

為了考察共沉淀反應(yīng)時鹽溶液初始濃度對YAG 粉體性能的影響，選擇 0.08mol／L，0.16 mol／L和0.24mol／L三種初始濃度進(jìn)行實驗.圖3為在不同初始濃度下所得YAG粉體的X射線衍射圖譜.由圖3可知，所得產(chǎn)物為純YAG相，XRD圖譜中的每一條衍射峰都很好地對應(yīng)YAG的特征衍射峰（標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片33－0040），無雜相.

圖4為在不同初始濃度下所得YAG粉體的SEM圖.由圖4可知，初始濃度越低，所得YAG粉體的粒徑越大，初始濃度為0.08mol／L時，粉體的粒徑為100nm左右，初始濃度為0.24mol／L時，粉體的粒徑為50nm左右.

以鋁和釔的硝酸鹽為原料，以NH4HCO3為沉淀劑，合成沉淀物的反應(yīng)方程式為（式中M為Al或Y）［13］：

當(dāng)鹽溶液的初始濃度較低時，M2（CO3）3M－（OH）3·nH2O晶核較少，成核速度小于晶粒生長速度，導(dǎo)致YAG顆粒的粒徑較大；當(dāng)初始濃度增大，成核速度大于晶粒生長速度時，晶體的生長被抑制，因此，顆粒的粒徑就較小.

圖3 不同初始濃度下制得的YAG粉體的XRD圖Fig.3 The XRD spectrum of YAG powder with different initial concentration（a）0.08mol／L；（b）0.16mol／L；（c）0.24mol／L

圖4 不同初始濃度制得的YAG粉體的SEM圖Fig.4 The SEM image of YAG powder with different initial concentration（a）0.08mol／L；（b）0.16mol／L；（c）0.24mol／L

3 結(jié) 論

采用共沉淀法制備YAG納米粉體，以PEG為分散劑所得YAG粉體顆粒分布均勻，粒徑約為50 nm.鹽溶液的初始濃度對YAG粉體的顆粒粒徑有較大影響，隨著初始濃度的增加，粒徑減小，當(dāng)濃度為0.24mol／L時所獲得的YAG顆粒粒徑為50nm左右.

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