鄭吉 蘭石 田犀

（四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究院，成都：610041）

1 前言

釔鋁石榴石（YAG）單晶因其優(yōu)良的光學性能和穩(wěn)定的化學性被廣泛用作激光和其它發(fā)光基礎(chǔ)材料。摻Nd的YAG透明陶瓷激光材料的研究，是十年來在激光工作物質(zhì)制備技術(shù)領(lǐng)域最為重要的創(chuàng)新。與單晶相比，陶瓷具有容易制造、成本低、尺寸大和摻雜濃度高、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點，最重要的是陶瓷可以達到與單晶一樣的光學和機械性能，然而合成化學純度高、分散性能好、無團聚、粒度均勻的納米原料粉體是制備透明YAG陶瓷的關(guān)鍵。摻釹Y2O3粉體的制備可采用醇鹽水解法[1-3]、溶膠法-凝膠法[4-6]、微乳液法[7]、沉淀法等[8]等多種合成方法。這些方法中各有優(yōu)缺點，其中共沉淀法可以精確控制化學組成，容易制成多種成分均一的超微粉體，容易控制顆粒的形狀和粒度，制成的超微粉體材料的表面活性好。

2 實驗

以Y（NO3）3、Nd（NO3）3、NH4HCO3為共沉淀法[9]的原料，一定濃度的聚乙二醇、聚丙烯酸和丙酮分別作為分散劑，合成摻釹的YAG粉體。所有原料均為分析純。將配制一定濃度的Y NO3）3水溶液、Nd（NO3）3水溶液與NH4HCO3水溶液充分混合均勻，采用正滴法，將金屬離子水溶液滴加到水解后的碳酸氫銨水溶液中，同時進行劇烈攪拌，出現(xiàn)沉淀后，加入少量的分散劑繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束，進行真空抽濾，用去離子水洗滌-4次，以徹底洗去殘留在溶液中的陰離子，用無水乙醇洗滌-3次，以充分除去殘留在沉淀物中的其它離子和水分。最后將所得到的白色沉淀轉(zhuǎn)入干燥箱中，在80℃條件下干燥2h得到粉體，再經(jīng)研磨得到較細的粉體，最后將粉體放入馬弗爐中進行煅燒，保溫一段時間，然后磨細粉末，過篩，最后得到分散性良好的摻釹Y2O3粉體。

采用英國馬爾文公司的ZS90納米粒度及Zeta電位分析儀和荷蘭新加坡思百吉公司的X'Pert Pro MPDX射線衍射儀，對加入不同分散劑的粉體進行物相分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同分散劑的影響

分散劑主要是防止反應(yīng)過程中粉料的團聚，有利于增加粉體的表面能，降低燒結(jié)溫度，同時不改變原有主相成分。在液相反應(yīng)中加入適量的聚合物分散劑，當有沉淀粒子形成時，聚合物分散劑會吸附在沉淀粒子表面產(chǎn)生位阻作用，從而有效地阻礙了微粒的進一步長大。同時，由于微粒表面吸附的大分子分散劑將粒子間的非架橋羥基和吸附水“遮蔽”，降低了粒子界面的表面張力，而具有一定剛度的碳鏈還可以阻止納米粒子相互接近，以達到阻止團聚的目的，改善沉淀顆粒的均勻性和分散性。而且在干燥和鍛燒過程中，由于聚合物分散劑在前驅(qū)體表面的阻隔作用，還能繼續(xù)起阻止顆粒團聚的作用。

隨著粉體顆粒尺寸的減小，顆粒之間的靜電吸引力、范德華力、毛細管力等弱相互作用越來越明顯，從而引起顆粒之間的聚集。納米粉體的團聚可分為軟團聚和硬團聚。軟團聚是因物理作用而形成的團聚，它是由于納米粒子的比表面較大，使其表面能增大，從而在熱力學上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，粒子間自動聚集以降低系統(tǒng)的自由能。軟團聚可以通過化學或機械作用消除。

根據(jù)分散劑種類的不同，本實驗采用聚乙二醇、聚乙烯酸、無水乙醇、丙酮為分散劑。用激光粒度儀進行了分析。圖1中a、b、c、d、e、f分別是聚乙二醇、聚乙烯酸、無水乙醇、丙酮作為分散劑，煅燒后Nd：Y2O3粉體粒度分布圖。相同量的不同分散劑對顆粒的分散效果不同，從圖2中可看出加入聚乙二醇、聚乙烯酸、無水乙醇、丙酮時，顆粒粒徑小于106nm以下時所占比例分別為77.7％、15.9％、2.2％、20.5％。因此可以看出加入聚乙二醇作為分散劑效果較好。加入聚乙烯酸、無水乙醇、丙酮作為分散劑時，煅燒后得到的粉體顆粒團聚較嚴重，沒起到很好的分散效果。聚乙二醇是一種水溶性的高分子化合物，它加入到水溶液后，可使高分子長鏈的一端緊密的吸附在被分散顆粒的表面，形成一層大分子親水膜，而另一端盡可能的伸向溶液中，以減小顆粒之間的吸引力，導致空間位阻效應(yīng)。因此加入聚乙二醇后，摻釹的Y2O3粉體得到良好的分散。包覆在顆粒體外，在反應(yīng)時抑止了顆粒的長大，煅燒時全部分解成氣體，不與Y2O3形成共熔物，氣體釋放后，Y2O3的顆粒保持原有較小的粒度，從而起到分散效果。

圖1 不同分散劑條件下的粒度分布圖Fig.1 Particle size distribution of powders w ith different dispersants

圖2 加料方式不同時粉體的粒度大小分布圖Fig.2 Particle size distribution of powders doped by differentmethods

3.2 加料方式不同的影響

上面分析可知，聚乙二醇對顆粒分散效果較好，所以特別選擇不同的加料方式對粉體分散性的作用進行研究。

圖2中a、b、c分別表示加入的聚乙二醇含量時，原料進行共向滴加、反向滴加、正向滴加時用激光粒度儀測量煅燒后Nd：Y2O3粉體的粒度分布。圖中顯示：正加得到的顆粒相對較小，但仍有部分大顆粒；反加得到的顆粒大小在二者之間。這是因為在并加的過程中，在沉淀劑和鹽混合溶液同時加入的過程中，由于溶液的pH值適中且保持恒定，聚集體數(shù)量迅速增加，且pH基本上維持在6.5～7.0之間，產(chǎn)物中碳酸鹽和氫氧化物形成的是內(nèi)部孔徑較大的無定型球型顆粒，所以顆粒較大，如圖a并加時的粒度分布圖及粒度分布表。從對先驅(qū)沉淀物的分析知：先驅(qū)沉淀物是碳酸鹽和氫氧化物的混合物。而在正向加入的過程中，隨著鹽混合溶液的加入，聚集體數(shù)量迅速增加，pH值由高到底不斷變化，變化范圍是9.0～6.0，反應(yīng)按正常方式進行，結(jié)晶好，但是由于開始形成的沉淀發(fā)育時間長，導致部分小顆粒長大，形成大顆粒。如圖b正加時的粒度分布圖及粒度分布表。反加正好與之相反，如圖c反加時的粒度分布圖及粒度分布表，只是隨著沉淀劑的加入，pH達到一定程度時，聚集體的數(shù)量漸漸增加，碰撞機會增大，顆粒集中成核，晶粒發(fā)育時間較短，沒有足夠長的發(fā)育時間，在反應(yīng)過程中pH值由低到高不斷變化，且pH值的變化范圍在3～6之間，所以最為合適的加料方式應(yīng)為正加。

圖3 煅燒后粉體的XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of calcined powder

因此我們對正加產(chǎn)生的先驅(qū)體進行煅燒，先驅(qū)沉淀物經(jīng)煅燒后的物象組成為Y2O3。圖3給出了正加時得到的先驅(qū)沉淀物經(jīng)高溫煅燒，在一定的保溫時間下粉體的X射線衍射圖譜。說明正加條件下得到的先驅(qū)沉淀物煅燒溫度的保溫時間要短，結(jié)晶良好，得到純相的Y2O3粉體。

4 結(jié)論

用共沉淀法制備Nd：Y2O3粉體時，加入不同分散劑時，聚乙二醇的效果最好。加料方式不同時，正向滴加所得的粉體最好，所得的粉體顆粒大小較細，煅燒后為純相Y2O3粉體。

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