專利名稱：一種用于制備納米級球形釔鋁石榴石粉體的方法
技術領域：
本發明屬于無機粉體的制備領域，特別涉及一種用于制備納米級球形釔鋁石 榴石粉體的方法。
背景技術：
紀鋁石榴石(Y3A15012 ， yttrium aluminum garnet, YAG)是由Y力3和A1203 形成的一種復雜氧化物，屬立方晶系，具有石榴石結構，具有光學均勻性，無雙 折射效應，化學性能穩定，高溫抗蠕變性能優異，是廣泛使用的激光和發光基礎 材料，YAG微粉可用于制備大尺寸高功率固體激光器工作物質所需的YAG透明陶 瓷，從而取代難于生產的YAG單晶材料，還可用于制備YAG高溫結構材料。研究 證明，制備球形顆粒、粒徑分布窄、無團聚的YAG納米微粉有利于透明陶瓷的燒 結，因此如何制備球形無團聚顆粒分布均勻的YAG納米微粉已引起廣泛關注。目 前的制備方法有固相反應法、溶膠一凝膠法、沉淀法、水熱法等(見文獻l:徐 國綱，張旭東，李紅，等.山東陶瓷，2005， 28(4):15-18.及文獻2:許鳳秀，李霞， 等.中國陶瓷工業，2004， 11 (3) :38-41.)。固相反應法合成溫度高，合成粉體的 顆粒大，團聚嚴重，并且生成物組成和結構往往呈非計量性和非均勻性；溶膠一 凝膠法工藝復雜，反應過程不易控制，最終制備的粉體的分散性差，基本都是團 聚的；水熱法對設備等條件要求嚴格，生產成本高，不宜于批量生產；沉淀法粉 體分散性差，粉體團聚問題難以解決，顆粒粒徑難以控制，粒徑分布寬。
微乳液法是上個世紀80年代新發展起來的一種制備納米粒子的方法，該方 法是以微乳體系中的微乳液滴為微反應器，通過人為控制微反應器的大小及其它 反應條件，以獲得粒徑分布均勻、分散性良好的球形粒子。目前還沒有人用該方 法制備YAG納米微粉。
為解決YAG粉體制備中存在的以上問題，本發明采用油包水(W/0)型微乳體 系中的微乳液滴作為微反應器，通過微反應器中增溶的(鋁鹽+釔鹽)混合溶液 和沉淀劑發生反應，在較低的合成溫度下，成功地制備出粉體分散性良好的純相的納米級球形YAG粉體。

發明內容
本發明的目的是提出一種制備納米級球形YAG粉體的方法，其特征在于該 方法采用油包水(W/0)結構的微乳液體系，即將包括油相物質、表面活性劑、助 表面活性劑的油相透明乳液和包括反應物溶液和沉淀劑溶液兩種的水相液體按 體積比2 10: 1或按質量比1 5: 1的比例增溶，反應生成單顆粒的球形鋁和 釔均勻混合體的沉淀物；提取出沉淀物進行洗滌、抽慮、干燥，經煅燒，得到分 散性良好、純相的、燒結活性高的球形YAG粉體。
所述制備納米級球形YAG粉體按如下步驟進行
(l)含Al和Y的原料溶于去離子水或酸中，按摩爾比，Al: Y二5: 3混合均
勻，制備得反應物溶液A;(2) 將氨水、草酸、碳酸氫氨中的一種或兩種用去離子水稀釋或溶解，充 分混合均勻，制成濃度為0. 5 6摩爾/升的沉淀劑溶液B;
(3) 將油相物質、表面活性劑、助表面活性劑按比例當表面活性劑為Triton X-100時，將油相物質的體積視為100，則按照體積比，油相物質TritonX-100 : 助表面活性劑的比例范圍是100 : 47~82 : 13~76。當表面活性劑為CTAB時，將 油相物質的質量視為100，則按照質量比，油相物質TritonX-100 :助表面活性 劑的比例范圍是100 : 20 36 : 17 29;充分混合獲得透明油相溶液C;
(4) 將油相和水相按體積比2 10: 1或按質量比1 5: l的比例分別增溶反 應物溶液A和沉淀劑溶液B，分別獲得穩定的油包水(W/0)型微乳液D、 E;
(5) 將微乳液D、 E充分混合，反應生成的沉淀是單顆粒的球形鋁和釔的沉淀 物的均勻混合體；
(6) 將上述沉淀物提取出來后，進行洗滌、抽慮、干燥，經400 1600 。C煅 燒，煅燒1 6小時得到分散性良好、純相的、燒結活性高的球形YAG粉體。
所述油相物質為苯、正己烷、環己烷、正辛烷中的一種或兩種。 所述表面活性劑為聚氧乙烯醚Triton X-IOO、十六烷基三甲級溴化氨CTAB 中的一種。
所述助表面活性劑為正己醇、正丙醇或正丁醇中的一種或兩種。 所述水相分為反應物溶液和沉淀劑溶液兩種。
本發明的有益效果是本發明采用油包水(W/0)型微乳體系中的微乳液滴作為 微反應器，通過微反應器中增溶的(鋁鹽+釔鹽)混合溶液和沉淀劑發生反應， 在較低的合成溫度下，成功地制備出粉體分散良好的純相的納米級球形YAG粉體。 該方法工藝簡單，能耗低，成本低，無環境污染，適宜于工業化生產的制備方法， 本發明生產過程中的有機廢液全部可以回收，將有機廢液回收后，可以分餾處理， 重復使用，避免造成環境污染，節省成本，降低能耗。
具體實施例方式
本發明提出一種制備納米級球形YAG粉體的方法。該方法采用油包水(W/0) 結構的微乳液體系，即將包括油相物質、表面活性劑、助表面活性劑的油相透明 乳液和包括反應物溶液和沉淀劑溶液兩種的水相液體按體積比2 10: 1或按質
量比1 5: l的比例增溶，得到微乳體系，以微乳體系中的微乳液滴作為納米微 反應器，在微反應器中反應，生成單顆粒的球形鋁和釔均勻混合體的沉淀物；提
取出沉淀物進行洗滌、抽慮、干燥，經400 160(TC煅燒，煅燒1 6小時得到分 散性良好、純相的、燒結活性高的球形YAG粉體。 該方法依次按如下步驟進行
(l)含Al和Y的原料溶于去離子水或酸中，按摩爾比，Al: Y=5: 3混合均
勻，制備得反應物溶液A;
(2)將氨水、草酸、碳酸氫氨中的一種或兩種用去離子水稀釋，充分混合 均勻，制成濃度為0.5 6.0摩爾/升的沉淀劑溶液B;
(3) 將油相物質、表面活性劑、助表面活性劑按比例當表面活性劑為Triton X-100時，將油相物質的體積視為100，則按照體積比，油相物質TritonX-100 : 助表面活性劑的比例范圍是100:47 82: 13~76。當表面活性劑為CTAB時，將 油相物質的質量視為100，則按照質量比，油相物質Triton X-100 :助表面活性 劑的比例范圍是100 : 20~36 : 17~29，充分混合獲得透明油相溶液C;
(4) 將油相和水相按體積比2 10: 1的比例分別增溶反應物溶液A和沉淀劑
溶液B，分別獲得穩定的油包水(W/0)型微乳液D、 E;將微乳液D、 E混合；在 混合過程中，導致微乳液滴間的碰撞，發生了水核內物質的相互交換，引起核內 發生化學反應；因反應物完全被限制在分散的納米級水核中，均勻地分散于油相
中，液滴內部增溶的水相是很好的化學反應環境，液滴形狀為規則的球形，大小
可以人為控制；碰撞過程取決于水核在連續相(即油相)中的擴散，而交換過程 取決于當水核互相靠近時表面活性劑尾部的相互吸引作用以及界面的剛性。液滴 間的相互碰撞會形成瞬時二聚體G，瞬時二聚體為兩個液滴提供水池通道，水相 內增溶的物質在此時交換并發生反應。二聚體的形成過程改變了表面活性劑膜的 形狀，所以二聚體處于高能狀態，很快會分離。在不斷的聚合、分離過程中，化 學反應發生并生成產物分子，多個產物分子聚集在一起成核。生成的核作為催化 劑使反應加快進行，產物附著在核上，使核成長，最終成為產物粒子。由于水核 的形狀和大小是固定的，晶核增長局限在微乳液的水核內部，形成粒子的大小和 形狀由水核的大小和形狀決定。反應生成的沉淀幾乎是單顆粒的球形鋁和釔的沉 淀物的均勻混合體；
(5)將上述沉淀物提取出來后，進行洗滌、抽慮、干燥，經400 1600 r煅 燒，煅燒時間為1 6小時得到分散性良好、純相的、燒結活性高的球形YAG粉 體。
上述油相溶液由油相物質、表面活性劑、助表面活性劑按照一定的比例混合 制成，其中，油相物質為苯、正己垸、環己垸、正辛烷中的一種或兩種；表面活 性劑為Triton X-100(聚氧乙烯醚)、CTAB (十六烷基三甲級溴化氨)中的一種； 助表面活性劑為正己醇、正丙醇或正丁醇中的一種或兩種；
上述水相分為反應物溶液和沉淀劑溶液兩種，其中，反應物溶液(釔鹽和鋁 鹽溶液)由含A1和Y的碳酸鹽、醋酸鹽、氯酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物、 氧化物制得；沉淀劑溶液可以由氨水、碳酸氫氨、草酸中的一種或兩種制得。
本發明可以通過調節油相溶液及水相各組分的含量和濃度來對所得粉體的 特性進行控制。所得粉體的粉體粒徑10 150nm ，粒徑可調；近似球形的顆粒 形貌；粒度分布為單峰分布；分散性良好、粉體晶相為100%YAG。
下面以實施例進一步說明。
實施例1、在室溫下，將硝酸釔(Y(N0丄 6H20)和硝酸鋁(A1(N03)3 9H20) 按照3: 5的摩爾比的比例配制成陽離子總濃度為1.0mol/L的前驅體溶液，由于 體系是均一的水溶液，鋁和釔能夠在分子水平上實現均勻混合；將氨水配制成 4.0mol/L的沉淀劑溶液。
以(正己垸+環己垸)為100按體積比(正己垸+環己垸)Triton X-100 :
正己醇二 (90+10) : 44 : 60的比例配制油相溶液，按照io : 2油水比例，向油
相溶液中分別加入等體積的(釔+鋁)鹽水溶液和氨水溶液，輕輕搖晃，獲得無
色透明的微乳液C、 D。分別取50ml C、 D微乳液，混合后在磁力攪拌下反應 5min-24h。然后采用加熱(70 80°C)回流、真空抽濾、離心分離中的一種或兩 種方法提取沉淀物凝膠。凝膠用無水乙醇或丙酮反復洗滌；在4(TC一150'C鼓風 干燥箱內或者真空烘箱內干燥3 — 48h，或者在冷凍干燥機中干燥24 — 48h，然后 經40(TC — 160(TC煅燒l一6h，得到納米級YAG粉體。
將提取沉淀物凝膠后的微乳液及洗滌沉淀的有機溶劑回收，分餾處理，分離 提純，重復使用。
實施例2、將氧化釔溶于適量硝酸制成硝酸釔，然后和氯化鋁(A1C13 6H20) 按照3: 5摩爾比的比例配制成濃度分別為0.5mol/L的前驅體溶液，將草酸配制 成2.0mol/L的溶液，再向該溶液中添加其它助劑以調節溶液的性質，配成沉淀 劑溶液。
在室溫下，以(正己烷+環己烷)為100按體積比(正己垸+環己垸)Triton
x-ioo :正己醇=(86+14) : 35 : 33的比例配制油相溶液。按照6 : i的油水比
例，向該溶液中分別加入等體積的(釔+鋁)鹽水溶液和沉淀劑溶液，余下制備 步驟同實施例1中所述。
實施例3、將氧化釔溶于適量硝酸制成硝酸釔，將氫氧化鋁溶于適量鹽酸制 成氯化鋁，然后按照釔鋁=3: 5摩爾比的比例配制成濃度分別為0.5mol/L的 前驅體溶液，將碳酸氫銨配制成2. 0mol/L的溶液，再向該溶液中添加其它助劑 以調節溶液的性質，配成沉淀劑溶液。
在室溫下，將環己垸、Triton X-100、正己醇，按11 : 6 : 3的體積比例配
制油相溶液。按照io:i的油水比例，向該溶液中分別加入等體積的(釔+鋁)
鹽水溶液和沉淀劑溶液，以下制備步驟同實施例1中所述。
實施例4、本實施例與實施例i不同之處在于油相溶液以苯為ioo，按苯
Triton X-100 :正丙醇=100 : 54 : 27的體積比例配制而成，按照3: 1的油水比，
向該溶液中分別加入等體積的(釔+鋁)鹽水溶液和沉淀劑溶液。
實施例5、本實施例與實施例1不同之處在于油相溶液以正辛垸為100，
微乳體系按照正辛烷ctab (固體粉末)正丁醇水溶液二ioo : 28 : 23: 77
的質量比例配制而成。
權利要求
1.一種制備納米級球形YAG粉體的方法，其特征在于該方法采用油包水(W/O)結構的微乳液體系，即將包括油相物質、表面活性劑、助表面活性劑的油相透明乳液和包括反應物溶液和沉淀劑溶液兩種的水相液體按體積比2～10∶1的比例增溶，反應生成單顆粒的球形鋁和釔均勻混合體的沉淀物；提取出沉淀物進行洗滌、抽慮、干燥，經煅燒，得到分散性良好、純相的、燒結活性高的球形YAG粉體。
2. 根據權利要求1所述制備納米級球形YAG粉體的方法，其特征在于所述 制備納米級球形YAG粉體按如下步驟進行(l)含Al和Y的原料溶于去離子水或酸中，按摩爾比，Al: Y = 5: 3混合均勻，制備得反應物溶液A;(2)將氨水、草酸、碳酸氫氨中的一種或兩種用去離子水稀釋，充分混合 均勻，制成濃度為0.5 6摩爾/升的沉淀劑溶液B;(3) 將油相物質、表面活性劑、助表面活性劑按比例當表面活性劑為Triton X-100時，將油相物質的體積視為100，則按照體積比，油相物質TritonX-lOO : 助表面活性劑的比例范圍是100 : 30~62 : 13 76，當表面活性劑為CTAB時，將 油相物質的質量視為100，則按照質量比，油相物質TritonX-100:助表面活性 劑的比例范圍是100 : 20 36 : 17~29，充分混合獲得透明油相溶液C;(4) 將油相溶液和水相按體積比2 10: 1或按質量比1 5: 1的比例分別增 溶反應物溶液A和沉淀劑溶液B，分別獲得穩定的油包水(W/0)型微乳液D、 E;(5) 將微乳液D、 E充分混合，反應生成的沉淀是單顆粒的球形鋁和釔的沉淀 物的均勻混合體；(6) 將上述沉淀物提取出來后，進行洗滌、抽慮、干燥，經400 1600 r煅 燒，煅燒1 6小時得到分散性良好、純相的、燒結活性高的球形YAG粉體。
3. 根據權利要求1所述制備納米級球形YAG粉體的方法，其特征在于所述 油相物質為苯、正己烷、環己烷、正辛垸中的一種或兩種。
4. 根據權利要求1所述制備納米級球形YAG粉體的方法，其特征在于所述表面活性劑為Triton X-100(聚氧乙烯醚)、CTAB (十六烷基三甲級溴化氨)中的一種。
5. 根據權利要求1所述制備納米級球形YAG粉體的方法，其特征在于所述 助表面活性劑為正己醇、正丙醇或正丁醇中的一種或兩種。
6. 根據權利要求1所述制備納米級球形YAG粉體的方法，其特征在于所述 水相分為反應物溶液和沉淀劑溶液兩種。
全文摘要
本發明公開了屬于無機粉體的制備領域的一種用于制備納米級球形釔鋁石榴石粉體的方法。該方法采用油包水(W/O)結構的微乳液體系，即將包括油相物質、表面活性劑、助表面活性劑的油相透明溶液和包括反應物溶液和沉淀劑溶液兩種的水相液體按體積比2～10∶1或按質量比1～5∶1的比例增溶，反應生成單顆粒的球形鋁和釔均勻混合體的沉淀物；提取出沉淀物進行洗滌、抽慮、干燥，經煅燒，得到分散性良好、純相的、燒結活性高的球形YAG粉體。該方法工藝簡單，能耗低，成本低，有機廢液全部可以回收，無環境污染，適宜于工業化生產。
文檔編號C01F7/02GK101113011SQ20071011842
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月5日 優先權日2007年7月5日
發明者音 吳, 曾人杰, 瑞 郭, 勇 黃 申請人:清華大學