低温固相合成钇铝石榴石 YAG粉体材料课程报告成员韩维杰 1001130408 胡明超 1001130409 王立洋 0901130620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。12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73、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 2=2535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 100200，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) powders: theeffect of precipitant J. Journal of the European