化学共沉淀法制备Yb：YAG纳米粉体的研究*

曹晓国，王 佳，张海燕，吴起白

（广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006）

掺镱的钇铝石榴石（Yb：YAG，Y3Al5O12）透明陶瓷在光学性能上与单晶几乎一致，同时具有制备周期短、成本低、尺寸大、掺杂浓度高、可大批量生产等优点［1-3］，受到人们极大的关注，并得到迅速发展。为了降低YAG透明陶瓷的烧成温度，提高陶瓷的透光性和致密度，合成性能良好的YAG纳米粉体具有重要的研究价值，成为近几年的研究热点［4-6］。

制备YAG透明陶瓷的关键在于制备出粒度均匀、化学纯度高、分散性好的YAG超细粉体，有利于烧结过程中气孔的排出而使陶瓷更加致密和透明，从而得到性能优异的YAG透明陶瓷。目前制备纳米YAG粉的主要方法有固相反应法、气相法、溶胶-凝胶法、化学共沉淀法等。气相法的优点是所得到的陶瓷粉体纯度比较高，团聚少，烧结性能好，但所需要的设备比较昂贵，产量低，不容易实现批量工业生产。固相法［7］所用设备比较简单，操作方便，但需在1 800℃煅烧才能获得纯YAG，粉体颗粒大、团聚严重且容易引入杂质，适合于要求比较低的场合。溶胶-凝胶法［8-9］需要醇盐作为原料，尽管可以制备出纳米粉体，但价格较高，不适合大规模生产，并且有较多的团聚。化学共沉淀法［3］具有操作简单、成本低、易于精确控制、合成材料成分混合均匀可以达到分子尺寸水平、耗能低、很容易实现批量生产等优点，受到人们的广泛关注［4，10-12］。 目前常采用的沉淀剂主要有氨水、尿素和碳酸氢铵，这几种沉淀剂在水溶液中均发生水解，溶液呈弱碱性，能与Y3+、Al3+、Yb3+作用生成前驱体沉淀。笔者采用共沉淀法制备了粒度分布均匀、形状接近球形的Yb：YAG纳米粉体，重点研究了不同沉淀剂对制备的Yb：YAG纳米粉体的形貌和物相的影响。

1 实验

1.1 YAG纳米粉体的制备

以 Al（NO3）3·9H2O （ 分 析 纯 ）、Y（NO3）3·6H2O（分析纯）、Yb2O3（分析纯）为原料，NH4HCO3或氨水为沉淀剂。根据所要制备粉体的质量以及掺镱浓度（原子分数为1%），按YbxY3-xAl5O12化学计量比称取相应 质 量 的Y（NO3）3·6H2O、Al（NO3）3·9H2O 和Yb2O3，先将 Y（NO3）3·6H2O 和 Al（NO3）3·9H2O 分别用一定量的去离子水溶解，Yb2O3用一定量的硝酸溶解，待充分溶解后，将3种硝酸盐溶液均匀混合，配制成一定浓度的母盐溶液，其中 c（Al3+）=0.1 mol/L。 将沉淀剂用去离子水溶解，按 c（沉淀剂）∶c（Al3+）=7.5∶1、10∶1、15∶1配制成一定浓度的沉淀剂溶液。采用反向滴定法，即将混合母盐溶液滴加到沉淀剂溶液中，控制滴定速度在2 mL/min左右，滴定过程中控制溶液pH在8左右，滴定结束后继续搅拌1 h，使其充分反应，然后陈化48 h。用去离子水和无水乙醇反复洗涤浆料并抽滤，以除去浆料中残存离子。滤饼在100℃的烘箱内干燥，再充分研磨，得到的前驱体在1 200℃下保温3 h，最后得到YAG纳米粉体。

1.2 YAG纳米粉体的表征

采用日本Rigaku D/Max型X射线衍射仪对粉体晶相组成进行分析；粉体形貌由S-3400N型电子显微镜进行观测。

2 结果与讨论

在化学共沉淀法中，沉淀剂的作用是使溶液中的金属离子反应生成前驱体沉淀。不同的沉淀剂水解得到的阴离子不同，与金属离子反应将会得到不同的前驱物沉淀。以碳酸氢铵为沉淀剂时，溶液中发生的反应过程如下：

以氨水为沉淀剂时，溶液中发生的反应过程如下：

图1为以碳酸氢铵为沉淀剂制备的前驱体在1 200℃煅烧后YAG粉体的XRD谱图。从图1可以看出，样品衍射峰较为尖锐，结晶完整，衍射峰均与YAG（Y3Al5O12，PDF 号 34-0368）相符合。 图 2 为以氨水为沉淀剂制备的前驱体在1 200℃煅烧后YAG粉体的XRD谱图。从图2可以看出，主要的衍射峰与YAG相符合，另有杂质相YAM（Y4Al2O9，PDF号14-0475）的衍射峰（位于 29.65°和 30.70°）出现。 以碳酸氢铵为沉淀剂制备的前驱体热处理过程中会形成中间相YAM（Y4Al2O9），继续煅烧可得到YAG相（Y3Al5O12），而以氨水为沉淀剂制备的前驱体在煅烧过程中生成的中间相YAM未能转化为YAG相。由此可见，应选用以碳酸氢铵为沉淀剂制备YAG纳米粉体。

图1 碳酸氢铵为沉淀剂制备YAG粉体XRD谱图

图2 氨水为沉淀剂制备YAG粉体XRD谱图

图3为碳酸氢铵溶液与母盐溶液中Al3+浓度比分别为 7.5∶1、10∶1 和 15∶1 时制备的 YAG 粉体的SEM照片。由图3可见，不同碳酸氢铵溶液浓度制备的YAG纳米粉体均出现不同程度的团聚现象。当c（NH4HCO3）∶c（Al3+）=7.5∶1、15∶1 时，制备的 YAG 粉体的团聚情况严重；当 c（NH4HCO3）∶c（Al3+）=10∶1时，团聚情况有明显改善。 当 c（NH4HCO3）∶c（Al3+）=7.5∶1、10∶1 时制备的 YAG 粉体粒度在 100～250 nm，当 c（NH4HCO3）∶c（Al3+）=15∶1 时制备的 YAG 粉体粒度在100～500 nm，由此可见随着碳酸氢铵溶液浓度的增加制得的YAG粉体的粒度增大。因此，以碳酸氢铵为沉淀剂制备YAG粉体时，碳酸氢铵溶液与母盐溶液中Al3+浓度最佳配比为10∶1。

图3 碳酸氢铵为沉淀剂制备YAG粉体SEM照片

图4为氨水溶液与母盐溶液中Al3+浓度比分别为7.5∶1、10∶1、15∶1 时制备的 YAG 粉体的 SEM 照片。由图4可见，以氨水为沉淀剂制得的YAG粉体的形貌与以碳酸氢铵为沉淀剂时类似：随着氨水溶液浓度的增加制得的YAG粉体粒度增大；当c（NH3·H2O）∶c（Al3+）=10∶1 时制得的 YAG 粉体的分散情况最好。

图4 氨水为沉淀剂制备YAG粉体的SEM照片

图3和图4比较可见，以碳酸氢铵为沉淀剂时制备的YAG粉体的分散性好于以氨水为沉淀剂时制备的YAG粉体。

3 结论

1）以碳酸氢铵为沉淀剂制备的前驱体在1 200℃煅烧后可制得无杂质的YAG粉体，以氨水为沉淀剂制备的前驱体在1 200℃煅烧后制得的YAG粉体中有杂质相YAM，因此应选用以碳酸氢铵为沉淀剂制备YAG纳米粉体。

2）随着沉淀剂溶液浓度的增加制得的YAG粉体粒度增大，以碳酸氢铵为沉淀剂时制备的YAG粉体的分散性好于以氨水为沉淀剂时制备的YAG粉体，碳酸氢铵溶液与母盐溶液中Al3+浓度最佳配比为10∶1，此时制备的YAG粉体的分散性最好，粉体粒度在 100～250 nm。

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