低温固相合成钇铝石榴石YAG粉体材料.ppt

低温固相合成钇铝石榴石 YAG粉体材料 课程报告成员 目 录 1 1、低温固相合成方法简介、低温固相合成方法简介 2 2、、YAGYAG的组成、结构、性能的组成、结构、性能 3 3、、YAGYAG材料的应用材料的应用 4 4、、YAGYAG的制备方法的制备方法 5 5、参考文献、参考文献 1.1.低温固相合成方法简介低温固相合成方法简介 • 1、低温固相合成定义 根据固相化学反应发生的温度将固相化学反应分 为三类：即反应温度低于100℃的低热固相反应、反 应温度介于100-600℃之间的中热固相反应以及反应 温度高于600℃的高热固相反应[1~2] 低温固相反应：反应温度降至室温或接近室温， 因而低热固相反应又叫室温固相反应，指的是在室温 或近室温（≤100℃）的条件下，固相化合物之间所 进行的化学反应 2、低温固相合成方法优点 • 固相反应不使用溶剂； • 高选择性； • 高产率； • 工艺过程简单； • 反应温度低，耗能少； • 污染低； • 已成为人们制备新型固体材料的主要手段之一 • 20世纪80年代末开始发展低温固态化学反应将 固相反应温度降低到室温或近室温的低温，使得 反应易于控制，此外还有操作方便，合成工艺简 单，转化率高，粒径均匀，粒度可控，污染少， 同时又可以避免或减少液相中易出现的硬团聚现 象，以及由中间步骤和高温反应引起的粒子团聚 现象等优点[3] • 低温固相合成法的操作容易设备简单,通常只需要 通过混合、研磨和超声洗涤、离心分离等几个简 单的步骤就可以一步获得纳米材料或纳米材料前 驱体。

2.YAG2.YAG的组成、结构、性能的组成、结构、性能 • YAG(yttrium aluminum gamet)是钇铝石榴 石的简称，化学式为Y3Al5O12，是Y2O3一 Al203二元体系中Y2O3与Al203的摩尔比为 3:5的一致熔融的化合物，属立方晶系 • 钻铝石榴石,化学式为Y3Al5O12，简称YAG，属立方晶 系 其晶格常数为12.2002nm，它的分子式又可以写成 L3B2(AO4)3形式； • 其中L,A,B分别代表了三种格位,在单位晶胞中有8个 Y3Al5O12分子； • 一共有24个Y3+,40个Al3+和96个02-离子； • 其中每个Y3+各处于由8个氧离子配位的十二面体L格 位，在40个Al3+中，16个Al3+处于由6个氧离子配位 的八面体B格位,另外24个Al3+处于由4个02-离子配位 的四面体A格位，八面体的Al3+形成体心立方结构， 四面体的Al3+和十二面体的Y3+处于立方体的面等分 线上[4]，其中，八面体和四面体都是畸变的 钇铝石榴石YAG的性能 • YAG熔点为1950℃，莫氏硬度达8.5，导热率(室温)高达 l40mWcm-1，还具有优良的光学性能，纯YAG在可见和 近红外光区是透明的，因而成为许多光学器件基质材料的 首选。

由于其十二面体间隙位置可以部分被掺杂或全部被 稀土元素阳离子取代，因此，可用于固体激光器的制作[5] • Nd:YAG陶瓷是重要的结构功能一体化的高性能陶瓷材料 ，Nd:YAG(部分Y3+由激活离子Nd3+取代)激光器是目前最 好最实用的一类四能级固体激光器，占使用器件的90% 国内外将其广泛用于激光制导、目标指示、激光测距、激 光打孔与焊接、激光医疗机、激光光谱仪和激光微区分析 仪等方面[6] 3.3.主要应用主要应用 • YAG成为目前用量最多、最成熟的激光基 质材料，这是因为YAG硬度高、光学质量 好、热导率高，抗蠕变性能好，是刚玉单 晶的10倍； • YAG的立方结构也有利于产生窄的荧光谱 线,从而产生高增益、低阈值的激光作用 • 以Nd:YAG 粉体为原料，制备出高质量透 明陶瓷，激光输出功率快速突破 KW 水平 ，作为激光武器材料用于军事 1、激光基质材料 Nd:YAG简称掺钕钇铝石榴石，具有较高的 热导率和抗光伤阈值，同时小部分三价钕 替换三价钇,不需要补偿电荷而提高激光输 出效率,使其成为目前最常用的一类固体激 光器； Nd:YAG激光的波长为1064 nm ,不在氧合 血红蛋白的吸收峰附近，氧合血红蛋白对 Nd:YAG激光的吸收较差，但其穿透深度可 达8 mm左右，因而能对较深部位的血管瘤 发挥治疗作用。

2、荧光材料 近些年,随着CRT（一种使用阴极射线管的显示器）和 LED的广泛应用,荧光物质的用量也随之增加，而且荧光屏 朝大面积及高解析度发展,为了提高荧屏的寿命及承受较 高电子能量的冲击,对材料的荧光效率(Luminescence Efficieney)、亮度(Brightness)以及耐腐蚀能力 (Resistance to Degradation)也提出了更高的要求 稀土掺杂YAG荧光粉是荧光粉中重要的一种，作为荧光粉 的基质材料，YAG具有透明度高、化学稳定性好、导热性 好、耐高强度辐照和电子轰击等优点随着稀土掺杂YAG 荧光粉性能的不断提高,其应用范围也在不断扩大和普及, 已在照明、阴离子射线显示、白光LED等方面得到了广泛 的应用,在等离子平面显示、真空荧光显示、场发射显示 等方面也在进行相关的研究[7] 3、高温结构材料 YAG优异的高温抗蠕变性能,有研究工作表明： 在1400℃时，多晶YAG(晶粒尺寸约为3m)，在75MPa压 力作用下的蠕变速率为2.5X10-6/s，仅为相同条件下的 Al2O3多晶陶瓷(晶粒尺寸为3m)蠕变速率(7.5x10-6/s)的 1/3； 在1700℃和100MPa的应力下，YAG的蠕变速率2.5x10- 9/s，是类似的条件下单晶Al2O3的蠕变速率的1/10； 此外，YAG的断裂强度在25-1400 ℃范围内几乎不变。

[8] 由于YAG具有这些性能，所以它被用于制成高温复合材料 的增强晶须或被用作陶瓷基复合材料[9]或金属材料的第二 相补强颗粒 4.YAG4.YAG的制备方法的制备方法 1、低温固相合成分类 （1）直接反应法：将两种或两种以上的反应 物直接混合，即可发生反应 （2）氧化法：通过低热固相反应先得到还原 性产物 ，再通过煅烧等手段氧化得到目标产 物的方法 （3）前驱体法：首先通过低热固相反应法制 备出不同于目标产物的前驱体，然后再通过 煅烧等手段使前驱体分解，从而得到目标产 物前驱体法是适用范围特别广泛的方法 • 固相反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接 触； • 接着发生化学作用, 生成产物分子此时生成的产 物分子分散在母体反应物中，只能当作一种杂质 或缺陷的分散存在； • 当产物分子集积到一定大小，出现产物的晶核， 从而完成成核过程[4]； • 随着晶核的长大，达到一定的大小后出现产物的 独立晶相 可见, 固相反应经历四个阶段, 即 扩散-反应-成核-生长 2、低温固相合成法的原理 3、YAG粉体制备 原料 • 以六水合硝酸钇( Y(NO3)36H2O，分析纯 ，纯度≧99％）、四水合碱式乙酸铝 (Al2O(CH3CO2)44H2O，分析纯，纯度 ≧99％)为原料； • 柠檬酸(C6H8O7H2O，分析纯，纯度 ≧99.5％)为配合剂。

4、合成方法 • 先将原料及配合剂置于研钵中分别研磨 30min，保证原料的充分细化； • 称取一定量Y(NO3)36H2O： Al2O(CH3CO2)44H2O，摩尔比为3:5； • 使用柠檬酸做为配位络合剂，按 n(C6H8O7H2O):n(Y(NO3)36H2O)=1混合 配合剂及原料加入到玛瑙研钵中; • 室温研磨 30min 得到白色糊状物; • 置于干燥箱中 80℃条件下干燥至恒重后得 到白色疏松泡沫状前驱体; • 将前驱体研磨后在不同温度进行热处理即 制得 YAG 粉末 5、反应控制条件 1、前驱体制备温度 恒温80 ℃ 2、前驱体研磨后在不同温度进行热处理 • 700℃，800℃，900℃，1100℃条件下保温 3 小时热处 理的 XRD 图谱 分 析 • 从图中可以看出，700℃时在 2θ=25～35处出现一弥 散的宽峰，说明此时虽然基本保持无定形态，但晶相 的生成已经开始煅烧到 800℃保温 3 小时的 X 衍射 图上开始出现明显的 YAG 衍射峰，峰形完整且具有很 高的衍射强度，说明大量晶相已经形成，而且具有完 整的晶型 • 这个 YAG 结晶形成的温度较目前广泛研究的共沉淀法 低 100~200℃，且比传统高温固相反应法降低约 800℃。

• 采用低温固相法得到的前驱体粉末已经达到原子级别 的均匀混合，这样粉体在高温锻烧时，Y3+和 A13+扩 散所需要的距离大大的缩短了；粉体的颗粒较细，所 以其比表面积比较大，能为固相反应提供巨大的驱动 力所以采用低温固相法来制备YAG 所需要的反应温度 要比采用普通的固相反应方法要低 800℃ • 没有任何中间相形成，直接生成Y3Al5O12立方相 3、表面活性剂的影响 • 在前驱体的制备过程中，使用中性表面活性剂聚乙二醇 (PEG)和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 以及阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为表 面活性剂添加到原料中，XRD分析： (a)不含表面活性剂，(b)含聚乙二醇(c)含十六烷基三甲基溴化铵, (d)含十二烷基苯磺酸钠 分 析 • 添加表面活性剂聚乙二醇和十六烷基三甲基 溴化铵的合成产物与未添加表面活性剂的 XRD 图谱没有明显的区别； • 而添加十二烷基苯磺酸钠之后的峰型则较细 ，强度也大； • 这说明添加阴离子表面活性剂十二烷基苯磺 酸钠则可获得结晶更为良好的 YAG 产物， 但是该表面活性剂会引入有害的杂质离子钠 元素。

SEM分析 (a)不含表面活性剂，(b)含聚乙二醇，(c)含十六烷基三甲基溴化铵, (d)含十二烷基苯磺酸钠 • 从图中可以看出添加表面活性剂后的产物在该温度下煅烧 之后的产物粒度均比未添加任何表面活性剂的产物粒度要 大 • 添加聚乙二醇之后的产物与未添加表面活性剂的产物团聚 程度相差不多，结合XRD 图谱说明添加聚乙二醇对改善 合成 YAG 的结晶团聚帮助不大，并不是低温固相法合成 YAG 有益的表面活性剂 • 而添加十六烷基三甲基溴化铵之后在 SEM 图片上看出与 其它 YAG 粒度相比较大，但从 XRD 图谱上体现不出结 晶的优势，添加该表面活性剂后的产物分散性较未添加表 面活性剂的要好 • 添加十二烷基苯磺酸钠的合成产物分散性也较前两者要好 ，颗粒粒度较大，XRD 图谱也说明添加该表面活性剂后 能合成结晶性更好的 YAG 产物，应该是有利于低温固相 合成 YAG 的表面活性剂，但是该表面活性剂会引入有害 的杂质离子钠元素 参考文献 • [1] 朱世富，赵北君．材料制备科学与技术[M]．北京：高 等教育出版社，2006． • [2] 王瑞英．纳米氨基酸-杂多酸电荷转移化合物的低热固 相合成及性质[D]．乌鲁木齐：新疆大学，2005. • [3] 李道华，忻新泉．纳米材料的室温或近室温超声波固 相化学反应合成[J]．西南民族大学学报．(自然科学版)． 2004，(5)： 572-576． • [4]李霞,刘宏,王继杨等.铭铝石榴石透明激光陶瓷的研究进 展.硅酸盐学报.2004,32(4):485一489 • [5] 周益明，忻新泉．低热固相合成化学[J]．无机化学学 报，1999(3)273-292． • [6] Ji-Guang Li, Takayasu Ikegami, Jong-Heun Lee, Toshiyuki Mori, Yoshiyuki Yajima.Co- precipitation synthesis and sintering of yttrium aluminum garnet (YAG) po。