專利名稱：尿素沉淀法制備Yb₃Al₅O₁₂納米粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種的尿素沉淀法制備Yb3Al5C^納米粉體的方法，屬于 陶瓷納米粉體制備領(lǐng)域。
技術(shù)背景YAG (釔鋁石榴石)單晶具備熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性好的特 性，是目前應(yīng)用最廣泛的固體激光介質(zhì)。然而，由于單晶目前主要是采用提 拉法生長，不但其生長周期長，價格昂貴，而且難以獲得大尺寸的晶體，從 而妨礙了Nd:YAG單晶的應(yīng)用。1995年，Ikesue等用固相反應(yīng)法制備了 Nd:YAG透明激光陶瓷并首次獲得了激光輸出。此后YAG透明陶瓷獲得了很大 得發(fā)展，很多國家都致力于Nd:YAG透明陶瓷得研究。自二十世紀(jì)九十年代， 隨著InGaAs激光二極管(LD)的出現(xiàn)及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，國際上掀起了摻 Yb3+激光材料的熱潮。與傳統(tǒng)的、常用的稀土離子Nc^+相比，Y^+有如下的 特點Yb"吸收帶在0.9 l.l^m波長范圍，無需嚴(yán)格的溫度控制即可獲得 相匹配的LD泵浦源的泵浦波長；量子缺陷低，理論上量子效率高達(dá)90%左右； 熒光壽命長，為NcT同種激光材料的三倍多；無輻射馳豫引起的材料中的熱負(fù)荷低(11%)，僅為摻雜Nd3+同種材料的三分之一；不存在激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換，光轉(zhuǎn)換效率高；YbS+和壙+離子半徑更加接近，高濃度慘雜不存在濃 度猝滅現(xiàn)象(Journal of Crystal Growth, 2003， 257: 272 - 275)。因此 摻Y(jié)b^激光材料成為當(dāng)今高效，高功率固體激光材料的首選固體激光增益介 質(zhì)。100^Yb3+摻雜的YAG (YbAQYb3Al5012)，和YAG具有相同的晶體結(jié)構(gòu)， 只是晶包參數(shù)有1.5%的不同，不僅可以用于固態(tài)激光材料，還可以用于閃 爍材料，隔熱材料，抗氧化、腐蝕材料。Yb3Al50u納米粉體本身也是一種重要的熒光粉體材料，研究其粉體的制備、合成為制備Yb3Al50u陶瓷打下堅實 的基礎(chǔ)。因此研究^3八15012納米粉體的合成具有廣泛的使用價值。至今，就 本發(fā)明人所知，尚無這方面的報道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種制備純相Yb3Al5012納米粉體的方法。制備 過程采用尿素沉淀法，以商業(yè)高純硝酸鋁和氧化鐿為原料，以HPC或者(NH4)2S04為分散劑，具體的制作步驟如下(1) 將純度為99.99%的高純商業(yè)丫13203粉體溶于硝酸中，加入去離 子水配制成濃度為0.05—5M的Yb(N03)3溶液；(2) 將純度為99.9%的硝酸鋁溶于去離子水，攪拌配成濃度為2M的 溶液，按照Yb:AI摩爾比為3: 5加入步驟1配置好的一定濃度的Yb(N03)3,充分?jǐn)嚢杈鶆?，得到母液?3) 在母液中加入去離子水使母液中AP+的濃度在0.1 — 1M之間，并 加入羥基丙基纖維素(HPC)為分散劑，HPC的濃度為1.0 x 1Cr3—5x 10—3 g/cm3或者以(NH4)2S04為分散劑，(NH4)2S04的濃度為0.5 x 10—3—3x 10—3 g/cm3。溶液中Al"和Y^+為金屬離子，加入尿素，尿素和總金屬離子的摩爾比控制在5: l到30: l之間，用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?一6小時；(4) 將母液用油浴加熱到90-10CTC，并加快攪拌速度，保溫2 —10個 小時，然后降到室溫。用去離子水在抽濾裝置中洗滌5_6遍，然后用無水 乙醇洗滌3—4遍，將抽濾洗滌后得到的產(chǎn)物于干燥箱中12(TC干燥20 — 24 小時；(5) 最后將干燥產(chǎn)物在空氣中，900。C一120(TC煅燒2小時。本發(fā)明提供的Yb3Al5C^納米粉體的制備方法的特點是(1)選用尿素沉淀法，可以通過控制溶液的溫度和保溫時間來控制溶 液中陰離子的電離速度，從而控制溶液中陽離子的沉淀速度。溶液在加熱過 程中產(chǎn)生如下的反應(yīng)CO(NH2)2 + 2H20 —CO/— + 2NH4 NH3 + H20 — NH4++ OH" 電離產(chǎn)生的OIT和COf陰離子與溶液中的鐿和鋁金屬離子結(jié)合生成前 驅(qū)體，因此尿素的用量以及反應(yīng)過程中通過控制溫度來控制陰離子的電離速 度至關(guān)重要。尿素的量用的太低，得不到純的Yb3Al5C^相，尿素的量用的 過高，溶液的PH值過高，得到的粉體的粒度會變大。(2) 使用HPC作為分散劑，可以很好的產(chǎn)生空間位阻使形成的粉體不 發(fā)生團聚，分散得比較均勻。(NH4)2S04作為分散劑，改變了膠體沉淀物表 面的；電位，是；電位升高，造成顆粒間的斥力增加，從而防止了顆粒團聚 的發(fā)生，使制備的粉體分散均勻。HPC和(NH4)2S04不僅改善了粒度分布且 使所制備的粉體燒結(jié)性獲得明顯改善。(3) 母液中鋁離子濃度0.1-1M之間，這個濃度范圍可以使鋁離子和鐿離子均勻沉淀，不至于發(fā)生成分的偏移。(4) 通過上述方法得到的為純相Yb3Al50i2，沒有其他相的物質(zhì)存在， 所得到的粉體的粒度在20—30nm，分布均勻，沒有明顯的團聚現(xiàn)象。


圖1本發(fā)明提供的尿素沉淀法制備Yb3Al50n納米粉體的工藝流程圖 圖2為實施例1前驅(qū)體在不同溫度煅燒后的XRD圖 圖3為實施例1前驅(qū)體在不同溫度煅燒后的紅外光譜 圖4為實施例1前驅(qū)體的失重一差熱圖 圖5為實施例1， 90(TC煅燒后的粉體TEM形貌圖 圖6為實施例1， 90(TC煅燒后的粉體的吸收光譜 圖7為實施例2得到的前驅(qū)體90(TC煅燒后的TEM形貌圖 圖8為實施例3得到的前驅(qū)體90CTC煅燒后的TEM形貌圖具體實施方式
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l將純度為99.99%的高純商業(yè)丫13203粉體溶于硝酸中，加入去離子水配 制成濃度為1M的Yb(N03)3溶液300ml.將純度為99.9%的AI(N03)3'9H20配制成1M的溶液500ml，將兩種溶液混合，充分?jǐn)嚢杈鶆颍玫侥敢?。?母液中加入去離子水，使母液達(dá)到1000ml，并加入2克的HPC為分散劑。 加入720克尿素，充分?jǐn)嚢杈鶆?。將母液用油浴加熱?5°C，并加快攪拌 速度，保溫2小時，然后降到室溫。用去離子水在抽濾裝置中洗滌5遍，然 后用無水乙醇洗滌3遍，將抽濾得到的產(chǎn)物于干燥箱中12(TC干燥24小時。 將干燥后的前驅(qū)體在空氣中，90(TC — 120(TC煅燒2小時。圖2為前驅(qū)體不同溫度煅燒后的XRD圖譜，可以看出前驅(qū)體在60(TC到 900。C之間為無定型態(tài)，在90(TC出現(xiàn)了 ^3八15012的相，隨著溫度的升高， 峰進一步增強。圖3為前驅(qū)體在不同溫度煅燒后的紅外光譜，60(TC到800°C 之間還有OH—和CO,的存在，90(TC以上只有金屬和氧鍵的峰存在。圖4為 前驅(qū)體的差熱失重圖，從圖中可以看出，在IOO(TC以下，61. 8%的質(zhì)量損失。 12(TC的質(zhì)量損失是由于前驅(qū)體吸附的水，20(TC到70(TC之間的質(zhì)量的損失 是由于結(jié)晶水和CCb的排除。1008。C的放熱峰，是由于YbAG晶粒張大引起 的。圖5為前驅(qū)體在90(TC煅燒后得到的粉體的TEM形貌圖，粉體的粒度在 20-30nm，分布均勻，沒有明顯的團聚。通過測量粉體的比表面積達(dá)到29.7 m2/g。圖6為粉體在90(TC煅燒后的吸收光譜，粉體在932nm和962nm有兩個強的 吸收峰，對應(yīng)于Yb"離子的吸收。 實施例2將純度為99.99%的高純商業(yè)丫13203粉體溶于硝酸中，加入去離子水配 制成濃度為1M的Yb(N03)3溶液300ml.將純度為99.9%的AI(N03)39H20 配制成2M的溶液250ml，將兩種溶液混合，充分?jǐn)嚢杈鶆?，得到母液。向母液中加入去離子水，使母液達(dá)到800ml，并加入1克的(NH4)2S04為分散 劑。加入720克尿素，充分?jǐn)嚢杈鶆?。將母液用油浴加熱?0CTC，并加快 攪拌速度，在10(TC保溫5小時，然后降到室溫。用去離子水在抽濾裝置中 洗滌6遍，然后用無水乙醇洗滌3遍，將抽濾得到的產(chǎn)物于干燥箱中12CTC 干燥20小時。將干燥后的前驅(qū)體在空氣中，900'C — 120(TC煅燒2小時。在 900。C煅燒后得到純相的YbAG粉體，粉體的粒度在40納米左右，如圖7。 實施例3將純度為99.99%的高純商業(yè)丫13203粉體溶于硝酸中，加入去離子水配 制成濃度為1M的Yb(N03)3溶液600ml.將純度為99.9%的AI(N03)39H20 配制成2M的溶液500ml，將兩種溶液混合，充分?jǐn)嚢杈鶆?，得到母液。?母液中加入去離子水，使母液達(dá)到1500ml，并加入5克的HPC為分散劑。 加入1440克尿素，充分?jǐn)嚢杈鶆?。將母液用油浴加熱?00°C，并加快攪 拌速度，在10(TC保溫5小時，然后降到室溫。用去離子水在抽濾裝置中洗 滌5遍，然后用無水乙醇洗滌3遍，將抽濾得到的產(chǎn)物于干燥箱中12(TC干 燥24小時。將干燥后的前驅(qū)體在空氣中，900°C _ 1200°C煅燒2小時。在90CTC 煅燒后得到純相的YbAG粉體，粉體的粒度在30納米左右。
權(quán)利要求
1、一種Yb3A15O12納米粉體的制備方法，其特征在于采用尿素沉淀法，以高純硝酸鋁和氧化鐿為起始原料，以HPC或(NH4)2SO4為分散劑，具體制備步驟是(1)將純度為99.99％的Yb2O3粉體溶于硝酸中，加入去離子水配置成濃度為0.05-5M的Yb(NO3)3溶液；(2)在步驟1配制好的溶液中按照Yb∶Al摩爾比為3∶5加入純度為99.9％的Al(NO3)3水溶液，充分?jǐn)嚢杈鶆?，得到母液?3)在步驟2所述的母液中加入去離子水使母液中Al3+的濃度在0.1-1M之間，并加入HPC或(NH4)2SO4分散劑，使之分散均勻，然后加入尿素，尿素和金屬離子的摩爾比控制在5∶1到30∶1之間，充分?jǐn)嚢杈鶆颍?4)將步驟3所制得的含尿素的母液用油浴加熱到90-100℃，并加速攪拌，保溫2-10小時，然后降到室溫；先用去離子水在抽濾裝置中洗滌，然后用無水乙醇洗滌，將抽濾洗滌后的產(chǎn)物于干燥箱中干燥；(5)最后將干燥的產(chǎn)物在空氣中，900℃-1200℃煅燒。
2、 按權(quán)利要求1所述的Yb3Al5C^納米粉體的制備方法，其特征在于步 驟2所述的A1(N03)3水溶液濃度為2M。
3、 按權(quán)利要求1所述的￥133^5012納米粉體的制備方法，其特征是以 HPC為分散劑時，HPC的加入量為1.0X 10—3 — 5 X 10—3g/cm3，或者以(NH4)2S04 為分散劑時，(NH4)2S04的加入量控制在0.5 X If)-3 —3 X l(T3g/cm3之間。
4、 按權(quán)利要求1所述的Yb3Al50u納米粉體的制備方法，其特征在于步 驟4中先用去離子水洗滌5_6次，然后用無水乙醇洗滌3—4次。
5、 按權(quán)利要求1所述的Yb3Al50u納米粉體的制備方法，其特征在于步驟3中加入尿素后攪拌時間為4一6小時。
6、 按權(quán)利要求l所述的Yb3Al50u納米粉體的制備方法，其特征在于步 驟4中所述的抽濾洗滌后產(chǎn)物干燥箱中12(TC干燥時間為20—24小時。
7、 按權(quán)利要求1所述的￥^八15012納米粉體的制備方法，其特征在于步 驟5中所述的煅燒時間為2小時。
8、 按權(quán)利要求l一7中的任一項所述的￥13^15012納米粉體的制備方法， 其特征在于所制備的多晶Yb3Al50u粉體為純相，且制得的粉體粒徑為20 — 30nm之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備具有良好分散性的納米級單相Yb₃Al₅O₁₂粉體的方法。其特征在于以高純商業(yè)硝酸鋁和氧化鐿為原料，先把氧化鐿溶于濃硝酸中，配制成一定濃度的溶液，然后按照鐿和鋁的離子比為3∶5，加入硝酸鋁溶液得到母液，加入去離子水使母液的鋁離子濃度為0.1-1mol/L。以尿素為沉淀劑，尿素和金屬鹽離子的摩爾比控制在5∶1到30∶1之間，控制溫度和時間使鐿和鋁離子完全沉淀得到沉淀物。無定形的前驅(qū)體在900℃下煅燒直接結(jié)晶成20-30nm的Yb₃Al₅O₁₂單相粉體，在反應(yīng)體系中加入少量的羥基丙基纖維素(HPC)或者(NH₄)₂SO₄為分散劑，可使Yb₃Al₅O₁₂的粒度分布和燒結(jié)性明顯改善，有效的解決了濕法制備所得的粉體易團聚，難洗滌，粒度大等缺點。
文檔編號C01F7/02GK101214982SQ20081003259
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者劉文斌, 吳玉松, 江 李, 潘裕柏, 郭景坤 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所