一种钇铝石榴石纳米粉体的制备方法 【技术领域】
本发明涉及钇铝石榴石纳米粉体的制备方法，属于精细化工领域。
技术背景
钇铝石榴石(YAG，Y3Al5O12)单晶具有优异的光学、物理、热及光-机械性能和化学、机械稳定性，如高热导、高热光稳定性等。它在红外、可见、紫外波段均有很高的透过率，是用作光学窗口、基片的优秀材料，在多个领域已得到广泛应用，特别是在高温及高能辐射的应用场合。但制备大尺寸的YAG单晶需要特殊的设备及复杂的工艺，所以造价高昂。透明YAG陶瓷的成本较低，是较有竞争力的替代单晶的激光材料。除激光领域外，YAG具有优异的高温抗蠕变性能，将其加入Al2O3基体中，可获得性能优异的高温结构陶瓷，在冶金、航天等领域有较大应用。另外，YAG粉体通过掺杂Ce3+，Nd3+等离子还可成为超短余辉荧光粉，在彩色电视机、显示器、电子显微镜、医疗器械等领域有广泛应用。
目前国内外报道的制备YAG粉体的方法主要有混合煅烧法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法等，但要将这些方法应用于大规模生产优质YAG粉体还各自存在其难以解决的问题。如混合煅烧法[I.Warshaw and R.Roy，Stabilityand Metastable Equilibriua in the Systems Y2O3-Al2O3 and Gd2O3-Fe2O3，J. Am.Ceram.Soc.，42[9]434-38(1959)]是将Y2O3和Al2O3按比例混合，在高于1600℃煅烧才能获得纯YAG，粉体颗粒大且团聚严重，因煅烧温度高所以能耗较大；水热法[T.Adschiri，Y.Hakuta，K.Arai，Hydrothermal Synthesis ofMetal Oxide Fine Particles at Supercritical Conditions，Ind.Eng.Chem.Res.，39(12)，4901-4907(2000)]产量低；溶胶凝胶法[S.K.Ruan，J.G.Zhou，A.M.Zhong，J.F.Duan，X.B.Yang，M.Z.Su，Synthesis of Y3Al5O12:Eu3+ phosphor bysol-gel method and its luminescence behavior，J.Alloys Compounds，277，72-75(1998)]需醇盐作原料，尽管制备的粉体晶粒较小，但成本过高，不适宜大规模生产；沉淀法[J.G.Li，T.Ikegami，J.H.Lee，and T.Mori，Low-TemperatureFabrication of Transparent Yttrium Aluminum Garnet(YAG)Ceramics WithoutAdditives，J. Am.Ceram.Soc.，83[4]96 1-63(2000)]原料成本低，但粉体团聚较严重，且制备地粉体中Y∶Al计量比难于控制，沉淀物需多次洗涤工艺较复杂。
本发明的目的在于提供一种适合大规模生产的低团聚、单相纳米YAG粉体的方法。该方法工艺简单，产品质量稳定，由于不需要醇盐为原料，且不需要洗涤过滤等步骤，所以原料成本及运行费用较低。
本发明提供的制备方法具体过程是：
首先将摩尔比为3∶5的Y(NO3)3和Al(NO3)3溶液混合均匀，强力搅拌的同时逐滴加入三乙醇胺和浓硝酸，最终体系的pH值为3-4，继续搅拌半小时以混合均匀。将混合后的无色粘稠溶液蒸发脱水，生成疏松的含碳前驱体，将前驱体在适宜温度下煅烧，直接获得单相的钇铝石榴石纳米粉体。
现将各有关过程详述如下：
1.无机盐的选择：钇(Y)和铝(Al)的无机盐应为硝酸盐，Y的硝酸盐也可用市售的Y2O3溶于65-68％的浓硝酸中获得，Y、Al硝酸盐的浓度分别为0.15-0.45mol/L和0.25-0.75mol/L。
2.三乙醇胺用量的选择：应控制在一定量，加入过少粉体团聚严重，加入过多，会造成浪费。三乙醇胺摩尔数应为混合溶液中Y3+与Al3+总摩尔数的2-6倍。
3.混合过程中的pH值：应控制在3-4之间，并强力搅拌，加入浓硝酸调节pH值，以避免混合过程中Al3+和Y3+的沉淀。
4.蒸发脱水：将混合后的无色粘稠溶液蒸发脱水，温度控制在180-250℃之间，时间为10-20分钟，可生成黑色、疏松、多孔的前驱体。
5.热处理：热处理一方面可使前驱体中残余的碳及有机物燃烧释放掉，另一方面使前驱体中金属氧化物相变为YAG相，热处理温度过低，YAG相转变不完全；热处理温度过高，YAG颗粒变大。因此热处理温度控制在950-1100℃之间，950℃即可生成纯YAG(Y3Al5O12)相。
6.用本发明提供的方法，在950℃进行热处理，所得YAG粉体平均晶粒直径为40-50nm；1100℃热处理，平均晶粒直径为100nm。改变热处理温度，制备的钇铝石榴石的晶粒尺寸可在40-100纳米之间。
由此可见本发明突出的优点是：
1.原料为无机盐，成本低。
2.前驱物无需洗涤过滤，工艺简单，运行费用低，煅烧温度低，能耗少。
3.粉体Y:Al计量比严格，产品纯度高。
4.粉体粒度小。
【附图说明】
图1本发明提供的YAG合成的工艺流程
图2是40纳米YAG粉体的X射线衍射图，其中1-14特征峰分别对应于Y3Al5O12相的211，220，321，400，420，422，431，521，440，532，631，444，640，721晶面，除此之外，无其他相存在；图3是40纳米YAG粉体的透射电镜照片(12万倍)。
图3本发明所制备40纳米YAG粉体的TEM照片。
【具体实施方式】
下面结合实例进一步说明本发明的创新点而绝非限制本发明。
实例1
把Y(NO3)3和Al(NO3)3溶于蒸馏水中，Y和Al离子的浓度分别为0.45mol/L和0.75mol/L，逐滴加入三乙醇胺，三乙醇胺的摩尔数为混合金属离子总浓度的2倍。开始有白色果冻状沉淀生成，加入浓硝酸沉淀溶解，最终pH控制在3～4。所得粘稠液体在180℃下干燥，逐渐变为红褐色，并有棕色气体放出，最后得到疏松多孔的黑色前驱体。950℃热处理，获得纯YAG粉体的晶粒直径为50纳米。
实例2
把Y(NO3)3和Al(NO3)3溶于蒸馏水中，Y和Al离子的浓度分别为0.45mol/L和0.75mol/L，逐滴加入三乙醇胺，三乙醇胺的摩尔数为混合金属离子总浓度的6倍。开始有沉淀生成，加入浓硝酸沉淀溶解，最终pH控制在3～4。所得粘稠液体在180℃下干燥，得到疏松多孔的黑色前驱体。950℃热处理，获得纯YAG粉体的晶粒直径为40纳米。粉体的晶相见图2，TEM照片见图3。
实例3
把Y(NO3)3和Al(NO3)3溶于蒸馏水中，Y和Al离子的浓度分别为0.45mol/L和0.75mol/L，逐滴加入三乙醇胺，三乙醇胺的摩尔数为混合金属离子总浓度的6倍。开始有沉淀生成，加入浓硝酸沉淀溶解，最终pH控制在3～4。所得粘稠液体在250℃下干燥，得到疏松多孔的黑色前驱体。1100℃热处理，获得纯YAG粉体的晶粒直径为100纳米。
实例4
把市售的Y2O3溶于浓硝酸中制得Y(NO3)3和Al(NO3)3溶于蒸馏水中，其浓度、三乙醇胺用量及热处理温度均同实例2，获得纯YAG粉体粒径为40纳米。