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      YSAG基納米粉體及其制備方法與流程

      文檔序號(hào):12089376閱讀:291來(lái)源:國(guó)知局

      本發(fā)明涉及激光材料技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種YSAG基納米粉體及其制備方法。



      背景技術(shù):

      激光器根據(jù)使用介質(zhì)的不同,主要分為固體激光器、液體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器。固體激光器,尤其是半導(dǎo)體激光泵浦全固態(tài)激光器(DPL),由于其具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、維護(hù)與操作簡(jiǎn)單以及輸出功率大等優(yōu)點(diǎn),自出現(xiàn)以來(lái),一直占據(jù)激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位,逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前景的領(lǐng)域之一。激光材料對(duì)產(chǎn)生激光起決定性的作用,是激光技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)。因此,對(duì)激光材料的研究結(jié)果在整個(gè)固體激光器的發(fā)展中起著決定性作用。多晶透明陶瓷具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、可摻雜濃度高、可制備大尺寸塊體,與單晶和玻璃相比在激光材料的應(yīng)用上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

      釔鈧鋁石榴石(Y3Sc2Al3O12,YSAG)是在YAG的基礎(chǔ)上,由Sc3+部分替換Al3+所形成的新型激光晶體。Sc3+的引入導(dǎo)致晶體晶格膨脹,適合激活離子的高濃度摻雜,可以減弱濃度猝滅現(xiàn)象。

      為了獲得光學(xué)性能優(yōu)異的透明陶瓷,要求合成高純、粒徑小且分布均勻、團(tuán)聚弱的納米粉體。目前,國(guó)內(nèi)外制備納米粉體主要采用固相合成、共沉淀法、溶膠-凝膠法和燃燒法。溶膠-凝膠法(sol-gel)作為一種濕化學(xué)法具有化學(xué)組分均勻、高純度、超細(xì)性、制備溫度低、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn),適合制備短余輝、實(shí)現(xiàn)分子級(jí)均勻摻雜,工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低廉陶瓷粉體材料,然而溶膠-凝膠法合成的納米粉體存在嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象,制約了粉體的應(yīng)用。

      有鑒于此,特提出本發(fā)明。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      (一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

      針對(duì)上述問(wèn)題,本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是解決現(xiàn)有制備方法無(wú)法制得粒徑小,分散性好的釔鈧鋁石榴石基納米粉體的問(wèn)題。

      (二)技術(shù)方案

      為了解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種YSAG基納米粉體的制備方法,包括如下步驟:

      (1)、配制Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的硝酸鹽混合溶液,確保各離子的配比能夠得到釔鈧鋁石榴石,然后加入EDTA和乙二醇,得到制備溶液,所述制備溶液在超聲條件下加熱,經(jīng)溶膠-凝膠過(guò)程,得到凝膠;

      (2)、將所述凝膠放入液氮中冷凍,然后將經(jīng)冷凍的凝膠進(jìn)行冷凍干燥,得到干凝膠;

      (3)、將所述干凝膠研磨成粉后再進(jìn)行煅燒,得到釔鈧鋁石榴石基納米粉體。

      在步驟(1)中,根據(jù)要制備的釔鈧鋁石榴石基納米粉體中釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式確定所用原料試劑的種類(lèi)及用量,然后配制硝酸鹽混合溶液。本發(fā)明中制備的釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為:Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y;其中,

      Re1和Re2為稀土元素?fù)诫s劑,并獨(dú)立地選自由鈰、鐠、釹、釤、銪、鏑、鈥、鉺、銩、鐿組成的組中的任一種,x+y的取值范圍為0~0.25。

      在步驟(1)中,配制Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的硝酸鹽混合溶液時(shí),為了確保各離子的配比能夠得到釔鈧鋁石榴石,則在硝酸鹽混合溶液中,需要確保Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的摩爾比為((3-x-y)*k):(2):(3):(x):(y),其中,x+y的取值范圍為0~0.25,k的取值范圍為0.9~1.1。

      優(yōu)選地,在步驟(1)中,Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+總的起始濃度為0.8~1.0mol/L。

      優(yōu)選地,在步驟(1)中,所述EDTA與總的金屬離子的摩爾比為1:(0.8~1.3);和/或,

      所述乙二醇與總的金屬離子的摩爾比為1:(1~5)。

      優(yōu)選地,在步驟(1)中,所述制備溶液在超聲條件下加熱之前還包括將pH調(diào)制至5.5~9.5的步驟,優(yōu)選的是使用氨水進(jìn)行調(diào)節(jié)。

      優(yōu)選地,所述超聲的頻率為40~60Hz,時(shí)間為10~30分鐘。

      優(yōu)選地,在步驟(2)中,將所述凝膠放入液氮中冷凍的時(shí)間為0.5~30分鐘。

      進(jìn)一步優(yōu)選地,所述冷凍干燥的溫度為-40~-70℃,壓力為10~15Pa。

      在這一步驟中,本發(fā)明人意外發(fā)現(xiàn),采用凝膠-冷凍干燥技術(shù),可以顯著減少團(tuán)聚現(xiàn)象,推測(cè)可能是該技術(shù)以升華的方式使凝膠的溶劑揮發(fā),避免溶劑分子因汽化引起的強(qiáng)毛細(xì)收縮作用,從而緩解納米粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象。而且,本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn),采用這種技術(shù)還能夠保持合成材料的原始微觀形貌。另外,本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn),對(duì)于水溶劑凝膠,通過(guò)對(duì)冷凍過(guò)程的優(yōu)化,在水形成冰過(guò)程中,氫鍵的迅速扭曲對(duì)粉體前軀體相鄰顆粒間-OH基團(tuán)的交接進(jìn)行切割,還可以進(jìn)一步解決納米粉體團(tuán)聚的問(wèn)題,從而得到分散性得到進(jìn)一步優(yōu)化的納米粉體。

      優(yōu)選地,在步驟(3)中,所述煅燒的溫度為600~1000℃,時(shí)間為2~4h。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)凝膠-冷凍干燥技術(shù)得到的干凝膠,可以在明顯較低的溫度下煅燒,即可得到粒徑小,分布均勻,團(tuán)聚少,基本呈球狀的單分散狀態(tài)的釔鈧鋁石榴石基納米粉體。

      本發(fā)明還提供了一種釔鈧鋁石榴石基納米粉體,所述釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為:Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y;其中,

      Re1和Re2為稀土元素,均選自鈰、鐠、釹、釤、銪、鏑、鈥、鉺、銩、鐿中的任一種,x+y的取值范圍為0~0.25。

      具體來(lái)說(shuō):

      當(dāng)x的取值為0且y的取值也為0時(shí),釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為Y3Sc2Al3O12,此時(shí)釔鈧鋁石榴石中沒(méi)有摻雜稀土元素;

      當(dāng)x的取值為0且y的取值不為0時(shí),此時(shí),釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為Y3-ySc2Al3O12:Re2y;

      當(dāng)x的取值不為0且y的取值為0時(shí),此時(shí),釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為Y3-xSc2Al3O12:Re1x;

      最后,還存在x的取值不為0且y的取值不為0的情況,此時(shí),釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為:Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y。

      (三)有益效果

      本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn):

      本發(fā)明所采用的原料簡(jiǎn)單易得,操作簡(jiǎn)便,原料損失少,制備周期短。在制備過(guò)程中,通過(guò)控制原料的配比,調(diào)節(jié)初始溶液的濃度,調(diào)節(jié)pH值,采用凝膠-冷凍干燥技術(shù)以及在不同溫度下煅燒來(lái)控制產(chǎn)品的晶型、形貌以及尺寸,在較低煅燒溫度(1000℃)下保溫2h得到了粉體粒徑小,分布均勻,團(tuán)聚弱,基本呈球狀的單分散釔鈧鋁石榴石基納米粉體。

      附圖說(shuō)明

      圖1是本發(fā)明實(shí)施例一制備得到的樣品的SEM圖。

      具體實(shí)施方式

      為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

      注:本本發(fā)明實(shí)施例中所用的試劑均為分析純。

      實(shí)施例一

      Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制備方法:

      稱(chēng)取5.627g Al(NO3)3·9H2O、1.545g Y2O3、0.521g Sc2O3、0.096g Er2O3,配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+的硝酸鹽混合溶液,向這一混合溶液中加入14.613g的EDTA和4.5ml的乙二醇,用去離子水控制溶液總量為150ml。磁力攪拌器加熱攪拌,在不斷攪拌的情況下用氨水調(diào)節(jié)體系pH值為8.0。超聲環(huán)境下75℃恒溫水浴中加熱蒸發(fā)6小時(shí)使其成膠,最終獲得半透明的凝膠。

      將凝膠放入液氮中冷凍10分鐘,將冷凍狀態(tài)下的凝膠轉(zhuǎn)入冷凍干燥機(jī)保持-60℃溫度和13.5Pa壓力環(huán)境冷凍干燥12小時(shí),得到干凝膠。

      將干凝膠經(jīng)研磨后再經(jīng)800℃煅燒3小時(shí),得到Y(jié)2.88Sc2Al3O12:Er0.12納米粉體。

      采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析,結(jié)果表明,粉體形貌基本為球形的單分散狀態(tài),粒徑小,尺寸在40nm左右,而且分散性良好,團(tuán)聚弱(參見(jiàn)圖1)。

      實(shí)施例二

      Y2.65Sc2Al3O12:Er0.1,Yb0.25制備方法:

      稱(chēng)取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3、0.192g Er2O3、0.493g Yb2O3,配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+、Yb3+的硝酸鹽混合溶液。向這一混合溶液中加入24.51g的EDTA和8.9ml的乙二醇,用去離子水控制溶液總量為400ml。磁力攪拌器加熱攪拌,在不斷攪拌的情況下用氨水調(diào)節(jié)體系pH值為8.0。超聲環(huán)境下75℃恒溫水浴中加熱蒸發(fā)8小時(shí)使其成膠,最終獲得半透明的凝膠。

      將凝膠放入液氮中冷凍15分鐘,將冷凍狀態(tài)下凝膠轉(zhuǎn)入冷凍干燥機(jī)保持-55℃溫度和13.5Pa壓力環(huán)境冷凍干燥20小時(shí),得到干凝膠。

      將干凝膠經(jīng)研磨后再經(jīng)800℃煅燒4小時(shí)得到樣品。

      采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行分析,結(jié)果表明,粉體形貌基本為球形,尺寸在60nm左右,分散性良好。

      實(shí)施例三

      Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制備方法:

      基本步驟同實(shí)施例一,不同之處在于:

      在步驟(1)中,用氨水將pH調(diào)節(jié)為5.5;

      在步驟(2)中,冷凍干燥的溫度旋轉(zhuǎn)零下40℃,壓力選擇10Pa;

      在步驟(3)中,煅燒的溫度為600℃,時(shí)間為4h。

      采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析,結(jié)果表明,粉體形貌基本為球形,尺寸在40nm左右,分散性良好。

      實(shí)施例四

      Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制備方法:

      基本步驟同實(shí)施例一,不同之處在于:

      在步驟(1)中,用氨水將pH調(diào)節(jié)為9.5;

      在步驟(2)中,冷凍干燥的溫度旋轉(zhuǎn)零下70℃,壓力選擇15Pa;

      在步驟(3)中,煅燒的溫度為1000℃,時(shí)間為2h。

      采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),粉體形貌基本為球形,尺寸在50nm左右,分散性良好。

      實(shí)施例五

      Y3Sc2Al3O12制備方法:

      稱(chēng)取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3,配制得到Al3+、Y3+、Sc3+的硝酸鹽混合溶液,向這一混合溶液中加入14.613g的EDTA和4.5ml的乙二醇,用去離子水控制溶液總量為150ml。磁力攪拌器加熱攪拌,在不斷攪拌的情況下用濃氨水調(diào)節(jié)體系pH值為8.0。超聲環(huán)境下75℃恒溫水浴中加熱蒸發(fā)6小時(shí)使其成膠,最終獲得半透明的凝膠。

      將凝膠放入液氮中冷凍10分鐘,將冷凍狀態(tài)下凝膠轉(zhuǎn)入冷凍干燥機(jī)保持-60℃溫度和13.5Pa壓力環(huán)境冷凍干燥,得到干凝膠。

      將干凝膠經(jīng)研磨后再經(jīng)800℃煅燒2小時(shí)得到Y(jié)2.88Sc2Al3O12:Er0.12納米粉體。

      采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析,結(jié)果表明,粉體形貌基本為球形,尺寸在40nm左右,分散性良好。

      對(duì)比例一

      采用煅燒法制備摻雜Er和Yb的釔鈧鋁石榴石基納米粉體,具體的制備方法如下:

      稱(chēng)取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3、0.192g Er2O3、0.493g Yb2O3,配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+、Yb3+的硝酸鹽混合溶液,攪拌下,滴加入過(guò)量的碳酸氫銨溶液中(濃度為0.5mol/L),完畢后得膠狀沉淀,pH值為8左右。抽濾,蒸餾水洗2次,無(wú)水乙醇洗2次,在110℃干燥4小時(shí),研磨,過(guò)篩,然后放在高溫爐中,1200℃煅燒4小時(shí),獲得摻鉺YSAG基粉體。

      采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析,結(jié)果表明,制得的粉體粒徑在50nm左右,但是分散性很差,團(tuán)聚情況嚴(yán)重。

      對(duì)比例二

      本對(duì)比例的制備方法基本上同實(shí)施例一相同,區(qū)別在于,在本對(duì)比例的制備方法中,沒(méi)有進(jìn)行冷凍干燥,將凝膠放入液氮后冷凍,將冷凍后的凝膠直接進(jìn)行煅燒。

      采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析,結(jié)果表明,制得的粉體粒徑在80nm左右,分散性很差,團(tuán)聚情況嚴(yán)重。

      最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案,而非對(duì)其限制;盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改,或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;而這些修改或者替換,并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。

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