[发明专利]钇铝石榴石纳米粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术。

背景技术

钇铝石榴石(简称YAG，化学式为Y₃Al₅O₁₂)，属于立方晶系，由于其光学均匀性好、在可见光和红外光波段具有良好的透光性、物理化学性能稳定等特点，被广泛应用于激光和发光基质材料等领域。以YAG纳米粉体为原料制备的YAG透明陶瓷，具有与YAG单晶相媲美的优异光学性能，且相比于单晶，具有掺杂浓度高且均匀性好，生产成本低，形状自由度大等优点，有可能替代单晶成为下一代激光基质材料。同时，Eu³⁺、Ce³⁺和Tb³⁺等离子掺杂的YAG粉体也是性能优异的荧光粉材料，在阴极射线管、LED等领域有着广泛的应用前景。此外，YAG还具有很强的高温体积稳定性，且是已知的抗高温蠕变最好的氧化物材料之一，因而是一种非常有前途的高温结构材料。

高纯、颗粒大小均匀、分散性好的类球形YAG纳米粉体，有助于提高荧光粉的发光特性及发光效率；在功能陶瓷制备方面，有助于烧结过程中气孔的排除，减少第二相和缺陷的生成，从而提高陶瓷的透光性；在结构陶瓷制备方面，能够使陶瓷在较低的温度下实现致密化，从而有效抑制晶粒长大，获得均匀细致的显微结构。因此，制备出性能优良的YAG粉体，是实现其在应用方面获得高性能至关重要的一步。

国内外制备YAG粉体的方法主要有固相法、水热法、燃烧法、溶胶凝胶法、沉淀法等。固相法通常需要将原料反复球磨和长时间在1600℃左右煅烧以消除YAM(Y₄Al₂O₉)和YAP(YAlO₉)中间相，因此该法合成温度高，容易引入杂质，粉体颗粒大且团聚严重；水热法产量低、纯度差，且对设备等条件要求严格；燃烧法很容易在燃烧过程中引入碳元素，使产物纯度不高，此外由于燃烧过程的剧烈性和爆炸性，导致产物颗粒的形状和大小难以控制；溶胶凝胶法一般需要醇盐作为原料，而醇盐毒性大、价格高、易造成环境污染，不适合大规模生产；沉淀法是液相化学反应合成金属氧化物及其化合物粉体材料最普通的方法，由于其在离子状态下混合，可以比机械混合法更均匀，并且减少掺入杂质的机会，使精确控制化学计算较容易，而且颗粒形貌可以根据反应条件进行控制，因而其是一种经济适用、有效的粉体制备方法。

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剂在溶液中缓慢的生成而实现均匀沉淀，一般使用尿素为沉淀剂在升温后水解产生OH-生成沉淀。张华山等以铝和钇的硝酸盐溶液为原料，尿素为沉淀剂，其中尿素用量为浓度比[urea]/[M³⁺]＝150:1，(NH₄)₂SO₄与聚乙二醇为分散剂，正硅酸乙酯为添加剂，在95℃的水浴中生成沉淀，最后通过共沸等工艺制备出YAG前驱体，在1200℃煅烧2h获得纯相YAG纳米粉体（功能材料，2004，增刊（35）：2774–2777）。该方法虽实现了反应物原子尺寸的均匀混合，但合成时间长，耗能大，要求高的尿素浓度与混合金属离子浓度比，煅烧温度也偏高，效力低且易造成环境污染，不适宜工业生产。共沉淀法又分为正滴定和反滴定两种方式，但无论是采用正滴定还是反滴定方式，在反应过程中都需精确控制滴加速度，以及及时检测反应的终止pH值，对这些条件的精确控制是获得性能良好的YAG粉体的关键（无机材料学报，2001,16(4):630–634；硅酸盐学报，2003，31(5):490-493；功能材料，2006，37(1):66–69；JAlloys Compd，2010，503:525–528）。

中国专利03112160.8公开的工艺是利用铝和钇的无机盐为原料，以NH₄HCO₃或NH₃·H₂O为沉淀剂，采用正滴定方式，同时控制合适pH，先制备出铝和钇的水合物，经洗涤后加入适量分散剂和晶形控制剂并分散于有机溶剂的水溶液中，然后在密闭容器内加热至一定温度合成YAG纳米微粉。

中国专利200510110760.9公开的工艺是以Al(NO₃)₃和Y(NO₃)₃为原料，NH₄HCO₃为沉淀剂，采用反滴定方式，控制滴速≤3mL/min，沉淀体系pH≥7.8获得沉淀，经抽滤、洗涤、烘干后，采用分段升温的煅烧方式获得YAG纳米粉。