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王莉莉等:微通道反应-共沉淀法制备YAG纳米粉体
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微通道反应-共沉淀法制备YAG纳米粉体
王莉莉2,陈瑾2,杨光成2,谯志强2,聂福徳
(1.西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳621010;
2.中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳621900)
摘要:以碳酸氢铵为沉淀剂,采用徽通道反应与共
道反应器为实验平台。利用微通道内微流体高速流动
沉淀法相结合的方法制备出了钇铝石榴石纳米粉体。下进行均匀混合的方法,可以减小并消除多组分盐溶
实验考查了溶液浓度、pH值、Nd3掺杂等因素对合成液和沉淀剂混合过程中产生的浓度梯度,从而实现各
纯相YAG纳米粉体的影响。结果表明增大沉淀剂浓离子组分的同时沉淀和均匀分布。另外,虽然过去微
度不利于纯相YAG粉体的制备,当沉淀剂浓度通道反应器已经用于液相与液相之间的反应],但
为0.4mol/L,AP+浓度范固为0.1~0.4mol/L的条般很少用于制备固体物质,这主要是由于反应生成的
件下均得到纯相YAG纳米粉体;采用优化的实验条固体很容易堵塞微通道,从而无法进行连续的反应。
件,体系pH值维持在8左右,以2%(原子分数)的本文采用压力驱动方法使流体处于高速流动状态,且
Nd+取代YAG中的Y3+,900℃保温4h得到纯相Nd所制备的固体前驱体物质为纳米粒子,在合适的浓度
:YAG粉体,粉体平均粒径在40nm左右,分布均匀,下能够实现完全不堵塞,因而在工艺上可以连续化和
呈近球形
批量化生产。
关键词:微通道反应;共沉淀法;YAG纳米粉体;制
本文采用微通道反应结合共沉淀法的工艺路线制
备
备YAG纳米粉体,探讨了溶液浓度,pH值、Nd+掺
中图分类号:TN38
文献标识码:A杂等因素对合成纯相YAG纳米粉体的影响,提供了
文章编号:1001-9731(2012)19-2651-06
种可连续批量生产、无杂相、具有高烧结活性的、纳
引言
米YAG粉体的制备方法
钇铝石榴石单晶是一种性能优良的激光介质材2实验
料,但是单晶生长周期长,成本昂贵,而且很难获得高2.1YAG纳米粉体的制备工艺
品质、大尺寸的晶体?。同时由于分凝作用,掺杂激
实验设备如图1所示。由储液瓶、产品收集器、高
活离子-稀土离子的浓度不能太高,影响激光转换效率压恒流泵、微反应器(大连化物所)等部分组成。制备
的提高。而多晶YAG透明陶瓷由于在制备技术和材工艺流程如图2所示,实验以Al(NO3)8?9H2O
料等方面具有单晶激光材料无法比拟的优势3?,必将(NO3)3?6H2O、Nd2O)作为原始材料,NH4HCO)作
受到广泛的关注,从而成为YAG单晶极具潜力的替为沉淀剂,聚乙二醇(PEG-20000为分散剂。
代物
YAG透明陶瓷的制备对粉体的要求极为严格,因
高压泵
为陶瓷材料在烧结过程中形成的显微结构,在很大程
度上由陶瓷粉体的特性决定,因此,YAG粉体制备
高压泵
收集器
技术1?一直是国内外学者研究的重点。化学共沉淀
法由于具有操作简单、成本低廉、易于控制等优点,而
储液瓶微反应器
被广泛应用于透明陶瓷粉体的制备。化学共沉淀法的
图1实验装置图
关键是在反应发生前实现溶液良好的微观混合,以提
Fig 1 Experimentation equipment chart
供一个一致的过饱和度环境,使得产物颗粒能够均匀
将Nd2O3溶解于硝酸中,AI(NO3)39H2O)和Y
成核生长。但是传统滴加加料式的化学沉淀法用于多
(NO3)3?6H2O溶解于去离子水中,根据Nd:YAG
组分反应容易因浓度梯度和溶剂差造成偏析,从而导的理论组成及掺杂原子浓度将Nd(NO3)3、Y(NO)、
致微观组分不均匀,进而直接影响获得YAG纯相粉
AI(NO3)3溶液按Nd:は:Y3--:Al3+(0≤x
体以及后期透明陶瓷的光学均匀性。
≤0.03)的比例配制混合,向混合溶液中加入质量分数
本文基于化学共沉淀法,使用可连续操作的微通为1%的PEG-20000,境拌使其混合均匀。配制一定
基金项目:国家自然科学基金资助项目(11002128);院学科发展基金资助项目(2010B0101013)
收到初稿日期:2012-03-20
收到修改稿日期:2012-05-21
通讯作者:聂福德
作者简介:王莉莉(1985一),女,安徽濉溪人,在读硕士,师承聂福德研究员,从事纳米复合氧化物研究
2012年第19期(43)卷
浓度的NH1HCO3溶液,并用NH4OHI调节pH值,为Y2(CO3)3?nH2O和Al(OH)3的混合物的可能
作为沉淀剂渀液备用。采用两台高压泵,分别将盐溶性
液和沉淀剂浴液输送到微通道反应器中,炳液相流量
通过调节泵的转速加以控制。从出料口移出的浆料产
物经陈化、洗涤后进行冷冻千燥处理。将前驱体放入
电阻帅中于不同温度下煅烧得到粉体样品
A+Y
前驱体粉末
NHAHCO
均匀混合反应
NHAOH
40bo 350 3000 z500 2000 160 Tooo 50d
Wavenumber/cm.
图3前驱体的红外光谱图
煅烧
离心、洗涤
Fig 3 FT-IR spectrum of the precursor
图4为制备的前驱体粉末在空气气氛下,升温速
冷冻干燥
YAG粉末
率为10℃/tmin,由室温加热到1100℃时的TG-DTA
图2实验流程图
曲线。从TG曲线可以看出前驱体失重曲线呈连续下
Fig 2 Experimentation flow char
降的趋势,表明样品失重是个连续过程。整个过程中
2.2样品的性能及表征
总的质量损失约为45.1%,而且在450℃前失重较快
采用美国TA仪器公司的SDTQ600型综合热分约占总失重的76%。结合红外分析结果,分析其原因
析仪对前驱体粉体进行分析,用于确定前驱体在煅烧主要是前驱体当中吸附水的释放和OH、CO2的分
过程中的失重及晶型转变温度。通过荷兰帕纳科公可解引起的。在更高温度下的质量损失,主要是由于
的 Xpert PR()型多功能X射线衍射仪(采用 Cukal Co2的进一步分解引起的。1039℃的吸热峰为晶体
射线,=0.1540598nm,扫描速度为2/min),分析不转变所造成的。从DTA曲线可以看出100~300℃范
同条件下得到的前驱体粉体煅烧后的物相变化。利用围的吸热峰与上述TG曲线失重过程是相互.对应的。
美国PE仪器公司的 Spectrum One型傅立叶变换红随着温度升高,失重变得很少,在928出现了一明显
外光谱仪(样品用KBr压片)对物质化学组成和分子的放热峰,而此时TG曲线上并没有检测到质量损失
结构进行定性分析。利用荷兰FEI公司的 INSPECT结合资料及差热分析原理知,此放热峰可归结于阳
F型场发射扫描电子显微镜观察粉体颗粒大小及微观离子氧化物反应形成YAG晶相所引起的。考虑到差
形貌。
热分析的滞后效应,YAG的实际生成温度要低于
结果与讨论
928C,不同温度下煅烧所得粉体的XRD谱图证实了
这一点。
前驱体煅烧过程中的物相变化
100
0.2
Y