微波法制备YAG粉体微观结构的调控及其烧结性的研究

论文摘要

YAG透明陶瓷因其具有热导率高、热膨胀系数小、硬度大、光学特性优异等众多特点,而成为开发光学器件首选的基质材料。本文以廉价的无机盐为原料,分别采用碳酸氢铵共沉淀法和微波辅助均相沉淀法制备YAG纳米粉体,通过真空烧结,成功地制备了YAG透明陶瓷。首次利用微波辅助均相沉淀法制备的Nd:YAG透明陶瓷实现了激光输出,证明此方法在制备Nd:YAG透明陶瓷方面有一定的潜力。论文首次重点研究了在微波辅助均相沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体过程中陈化作用（陈化过程中状态、时间、温度和湿度）对Nd:YAG纳米粉体的影响,进而找出了制备分散性均良好和可烧结性优良的Nd:YAG纳米粉体的最佳工艺,并对真空烧结YAG陶瓷透明机理进行了初步地探讨。论文主要研究内容及结论包括：1)在碳酸氢铵沉淀法制备YAG纳米粉体过程中重点研究了母盐溶液的浓度、母盐溶液的滴加速度及有机溶剂对制备YAG纳米粉体的影响：（1）母盐溶液的浓度对生成YAG前驱体及煅烧粉体的形貌产生了显著的影响。只有低浓度的母盐溶液（[Y3+]=0.08M,[Al3+]=0.13M）生成的前驱体具有较好的分散性,更有利于获得颗粒分散均匀,形状近似球形的YAG纳米粉体。母盐溶液的浓度对合成的YAG纳米粉体的物相的影响并不是太明显,但相对来讲低溶度的母盐溶液能够获得具有更好的YAG物相的纳米粉体；（2）母盐溶液的滴加速度的影响比较显著。当母盐溶液和NH4HC03沉淀剂溶液混合速度比较快时更容易获得具有较好的YAG物相的纳米粉体,且低浓度的母盐溶液和NH4HC03溶液混合速度比较快时,更容易获得具有较好物相的YAG纳米粉体,同时生成YAG纳米粉体具有良好的烧结性；（3）少量有机溶剂（有机溶剂与母盐溶液体积比为1：5）对YAG纳米粉体的物相和形貌有一定影响。加入少量乙醇作为溶剂对获得纯相YAG纳米粉体具有较好效果,低浓度母盐溶液中加入少量乙醇和NH4HC03沉淀剂溶液快速混合可以获得纯物相和颗粒形貌很好的YAG纳米粉体,因此母盐溶液中加入少量的乙醇对制备性能稳定的YAG纳米粉体有一定作用。实验中所制备的YAG粉体能够烧结出透明陶瓷,证明通过系统地控制上述三个因素可以得到具有良好烧结性的YAG纳米粉体。2)在微波辅助均相沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体过程中研究了母盐溶液的浓度、尿素用量、分散剂（NH4）2S04的用量和陈化作用对制备Nd:YAG纳米粉体的影响：（1）反应物母盐溶液的浓度、尿素用量和分散剂（NH4）2S04的用量对制备Nd:YAG纳米粉体性质的影响是基本应该考虑的,在本实验中反应母盐溶液的浓度为[Nd3++Y3+]=0.06M,[A13+]=0.1M,尿素与金属离子的物质的量比25：1,分散剂（NH4）2S04的用量为母盐溶液中所有硝酸盐质量的8%,这些值为制备Nd:YAG纳米粉体最佳值；（2）陈化状态和陈化时间对Nd:YAG纳米粉体的物相和形貌的影响很明显。Nd:YAG前驱体在反应釜中陈化的效果比在空气中的陈化效果更好,更有利于获得颗粒尺寸均匀,形状近似椭圆的Nd:YAG纳米粉体,但陈化过程中仍旧需要一定的物质交换,表现出陈化作用对外界环境的敏感性。Nd:YAG前驱体在反应釜中随着陈化时间的变化,获得的Nd:YAG纳米粉体的颗粒尺寸先减小后增大,在本实验中是在反应釜中陈化6天后得到的Nd:YAG纳米粉体的粒径最小；（3）陈化环境的湿度和温度对Nd:YAG纳米粉体物相和形貌的影响比较明显。湿度和温度对Nd:YAG纳米粉体的影响有一定的依存关系,因此在制备Nd:YAG纳米粉体过程中必须控制陈化环境合适的湿度和温度,目前本实验的湿度控制在30%-50%,温度在25℃,能够得到的性质较好的Nd:YAG纳米粉体。3)为了成功地制备Nd:YAG透明激光陶瓷,Nd:YAG纳米粉体必须要具有的性质：（1）为了获得Nd:YAG透明陶瓷,必须首先制备出具有纯YAG相的Nd:YAG纳米粉体；（2）为了获得高质量的Nd:YAG纳米粉体,必须严格控制影响Nd:YAG纳米粉体性质的各种因素。所制备的Nd:YAG纳米粉体必须在物理和化学性质上具有相对稳定性,同时也应该具有一定的烧结活性来保证Nd:YAG透明陶瓷的成功烧结,因此制备的Nd:YAG纳米粉体要具有较小尺寸的颗粒、较窄的颗粒尺寸分布和较低的缺陷密度,这样的Nd:YAG纳米粉体将有助于获得具有良好性能的Nd:YAG透明陶瓷；（3）最终所制备的Nd:YAG纳米粉体除了具有纯YAG相,较小尺寸的颗粒、较窄的颗粒尺寸分布和较低的缺陷密度外,还应具有均匀的微观组分和适当的化学计量比的偏移程度,这些性质最终保证能够获得具有良好性能的Nd:YAG透明陶瓷；（4）在温度在25℃,湿度在30-50%之间,反应釜中陈化6天的Nd:YAG纳米粉体真空1730℃烧结10h获得的经过精抛的Nd:YAG透明陶瓷片激光的激光输出能量可达305 mW,斜率为5.1%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 YAG的结构和性质
• 1.3 YAG粉体的制备方法及影响因素
• 1.3.1 YAG粉体的制备方法
• 1.3.2 YAG粉体制备的影响因素
• 1.4 YAG粉体的应用
• 1.4.1 掺杂稀土离子的YAG激光材料
• 1.4.2 掺杂稀土离子的YAG荧光粉
• 1.5 YAG粉体性质的影响因素
• 1.6 课题的提出及主要研究内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 碳酸氢铵共沉淀法制备YAG纳米粉体微观结构的调控
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 溶液的配制
• 2.2.2 共沉淀法合成YAG前驱体
• 2.2.3 YAG前驱体的煅烧
• 2.2.4 表征
• 2.3 实验反应原理分析
• 2.4 结果与讨论
• 3+及Al³⁺母盐溶液浓度的影响'>2.4.1 Y³⁺及Al³⁺母盐溶液浓度的影响
• 2.4.2 母盐溶液滴加速度的影响
• 2.4.3 有机溶剂的影响
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 微波法制备掺钕YAG纳米粉体若干影响因素的研究
• 3.1 实验原料
• 3.2 实验设备
• 3.3 实验过程
• 3.4 Nd:YAG粉体性能表征
• 3.5 实验结果与分析
• 3.5.1 实验反应原理
• 3.5.2 母盐溶液浓度的影响
• 3.5.3 尿素用量的影响
• 4）₂SO₄的影响'>3.5.4 分散剂（NH₄）₂SO₄的影响
• 3.5.5 陈化作用对Nd:YAG粉体性质的影响
• 3.5.5.1 陈化状态对Nd:YAG粉体物相及形貌的影响
• 3.5.5.2 陈化时间对Nd:YAG粉体的物相及形貌的影响
• 3.5.5.3 不同陈化时间下获得的Nd:YAG前驱体的DTA-TG曲线
• 3.5.5.4 不同陈化时间下获得的Nd:YAG前驱体和Nd:YAG纳米粉体的IR光谱图
• 3.5.5.5 陈化过程中Nd:YAG前驱体溶液pH值随时间的变化规律
• 3.5.5.6 陈化过程中温度对Nd:YAG粉体的物相及形貌的影响
• 3.5.5.7 陈化过程中湿度和陈化时间对Nd:YAG粉体的物相及形貌的影响
• 3.5.6 填充度的影响
• 3.5.7 洗涤条件的的影响
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第四章 微波法制备掺钕YAG纳米粉体烧结性的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验过程
• 4.3 掺钕YAG纳米粉体的性质对烧结透明Nd:YAG激光陶瓷的影响
• 4.3.1 Nd:YAG纳米粉体的物相的影响
• 4.3.2 Nd:YAG纳米粉体的颗粒大小及分布的影响
• 4.3.3 Nd:YAG纳米粉体的缺陷密度对烧结透明Nd:YAG激光陶瓷的影响
• 4.3.4 Nd:YAG纳米粉体的微观组分对烧结透明Nd:YAG激光陶瓷的影响
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 Nd:YAG透明陶瓷的烧结
• 5.1 前言
• 5.2 YAG透明陶瓷的烧结工艺
• 5.3 影响陶瓷透光性的主要因素
• 5.4 陶瓷烧结机理
• 5.4.1 陶瓷烧结扩散原理
• 5.4.2 烧结制度
• 5.4.2.1 升温过程
• 5.4.2.2 最高烧结温度与保温时间
• 5.5 实验过程和实验设备
• 5.6 实验结果与讨论
• 5.7 结论
• 参考文献
• 第六章 结论与创新点
• 6.1 结论
• 6.1.1 碳酸氢铵沉淀法制备YAG纳米粉体的主要结论
• 6.1.2 微波辅助均相辅助沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体的主要结论
• 6.1.3 Nd:YAG纳米粉体必须要具有的性质
• 6.2 创新点
• 6.3 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表和即将发表的论文
• 附录
• 学位论文评阅及答辩情况表