RU2700074C1 - Способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната - Google Patents
Способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната Download PDFInfo
- Publication number
- RU2700074C1 RU2700074C1 RU2018112193A RU2018112193A RU2700074C1 RU 2700074 C1 RU2700074 C1 RU 2700074C1 RU 2018112193 A RU2018112193 A RU 2018112193A RU 2018112193 A RU2018112193 A RU 2018112193A RU 2700074 C1 RU2700074 C1 RU 2700074C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- yttrium
- chlorides
- mol
- synthesis
- agglomeration
- Prior art date
Links
- 239000002243 precursor Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 17
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 title claims abstract description 16
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 16
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 title claims description 21
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 19
- 239000002223 garnet Substances 0.000 title abstract description 9
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 title abstract 2
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 43
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 21
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 12
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000010908 decantation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 3
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 50
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 claims description 50
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 16
- HDGGAKOVUDZYES-UHFFFAOYSA-K erbium(iii) chloride Chemical class Cl[Er](Cl)Cl HDGGAKOVUDZYES-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011550 stock solution Substances 0.000 claims 1
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 38
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 6
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 241000219991 Lythraceae Species 0.000 abstract description 2
- 235000014360 Punica granatum Nutrition 0.000 abstract description 2
- PSNPEOOEWZZFPJ-UHFFFAOYSA-N alumane;yttrium Chemical compound [AlH3].[Y] PSNPEOOEWZZFPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000004160 Ammonium persulphate Substances 0.000 abstract 2
- 235000019395 ammonium persulphate Nutrition 0.000 abstract 2
- PCMOZDDGXKIOLL-UHFFFAOYSA-K yttrium chloride Chemical class [Cl-].[Cl-].[Cl-].[Y+3] PCMOZDDGXKIOLL-UHFFFAOYSA-K 0.000 abstract 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 30
- BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N ammonium sulfate Chemical compound N.N.OS(O)(=O)=O BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 28
- 229910052921 ammonium sulfate Inorganic materials 0.000 description 27
- 235000011130 ammonium sulphate Nutrition 0.000 description 27
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 14
- 239000000047 product Substances 0.000 description 14
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 9
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 9
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 8
- 239000012452 mother liquor Substances 0.000 description 8
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 7
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 6
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 6
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- -1 yttrium cations Chemical class 0.000 description 6
- ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N Ammonium bicarbonate Chemical compound [NH4+].OC([O-])=O ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910000013 Ammonium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 5
- 235000012538 ammonium bicarbonate Nutrition 0.000 description 5
- 239000001099 ammonium carbonate Substances 0.000 description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 5
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 4
- JRKICGRDRMAZLK-UHFFFAOYSA-L peroxydisulfate Chemical compound [O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O JRKICGRDRMAZLK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 4
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 3
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 3
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 3
- 239000003957 anion exchange resin Substances 0.000 description 3
- 238000000975 co-precipitation Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 3
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 3
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 2
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 2
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 2
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 2
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 2
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 239000012716 precipitator Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- GRTBAGCGDOYUBE-UHFFFAOYSA-N yttrium(3+) Chemical compound [Y+3] GRTBAGCGDOYUBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OBOSXEWFRARQPU-UHFFFAOYSA-N 2-n,2-n-dimethylpyridine-2,5-diamine Chemical compound CN(C)C1=CC=C(N)C=N1 OBOSXEWFRARQPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001148 Al-Li alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical class O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N [Li].[Al] Chemical compound [Li].[Al] JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K aluminium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RFEISCHXNDRNLV-UHFFFAOYSA-N aluminum yttrium Chemical compound [Al].[Y] RFEISCHXNDRNLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000012935 ammoniumperoxodisulfate Substances 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000010534 mechanism of action Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- DVMZCYSFPFUKKE-UHFFFAOYSA-K scandium chloride Chemical compound Cl[Sc](Cl)Cl DVMZCYSFPFUKKE-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- CKLHRQNQYIJFFX-UHFFFAOYSA-K ytterbium(III) chloride Chemical class [Cl-].[Cl-].[Cl-].[Yb+3] CKLHRQNQYIJFFX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- DEXZEPDUSNRVTN-UHFFFAOYSA-K yttrium(3+);trihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Y+3] DEXZEPDUSNRVTN-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RBORBHYCVONNJH-UHFFFAOYSA-K yttrium(iii) fluoride Chemical class F[Y](F)F RBORBHYCVONNJH-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
- B22F9/18—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
- B22F9/24—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds starting from liquid metal compounds, e.g. solutions
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F1/00—Methods of preparing compounds of the metals beryllium, magnesium, aluminium, calcium, strontium, barium, radium, thorium, or the rare earths, in general
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F7/00—Compounds of aluminium
- C01F7/02—Aluminium oxide; Aluminium hydroxide; Aluminates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F7/00—Compounds of aluminium
- C01F7/78—Compounds containing aluminium, with or without oxygen or hydrogen, and containing two or more other elements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/44—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/50—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on rare-earth compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/6261—Milling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
- C04B35/62655—Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
- C30B29/22—Complex oxides
- C30B29/28—Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
- H01S3/1608—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth erbium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
- H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
- H01S3/164—Solid materials characterised by a crystal matrix garnet
- H01S3/1643—YAG
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1685—Ceramics
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1691—Solid materials characterised by additives / sensitisers / promoters as further dopants
- H01S3/1698—Solid materials characterised by additives / sensitisers / promoters as further dopants rare earth
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, солегированных редкоземельными элементами, которые могут быть применены в технологии синтеза оптических керамических материалов лазерного качества при создании активных тел твердотельных лазеров различной геометрии. Способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната включает приготовление исходного раствора из хлоридов иттрия, алюминия, иттербия и эрбия заданного состава исходя из формулы YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %) путем растворения хлоридов в воде при нагревании с последующим введением в водный раствор аммиака, декантацию в деионизированной воде, фильтрование, последующую сушку и измельчение, причем растворы исходных хлоридов содержат персульфат аммония с концентрацией от 0 до 1,0 моль/л, предпочтительная концентрация персульфата аммония от 0,02 до 0,15 моль/л. На основе полученных прекурсоров получают оптическую керамику со светопропусканием от 72 до 82%. 6 ил., 3 табл., 5 пр.
Description
Изобретение относится к химической области, а именно к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, содержащих редкоземельные элементы, которые могут быть использованы для применения в технологии синтеза оптических керамических материалов лазерного качества. Поликристаллический лазерный материал на основе YAG считается наиболее перспективным, так как качество керамики YAG стало достигать высокоэффективной лазерной генерации, что сопоставимо по эффективности с монокристаллом YAG. По сравнению с технологией монокристаллов, изготовление поликристаллической прозрачной керамики лазерного качества имеет наибольший потенциал развития, также преимуществом является возможность изготовления твердотельных лазеров различной геометрии. Способ осуществляют методом осаждения путем введения исходных соединений алюминия, иттрия и легирующих элементов в осадитель с последующим выделением осажденного продукта и прокаливанием полученного порошкообразного продукта при 1100-1200°С. При этом осаждение проводят в присутствии добавки в виде пероксодисульфата аммония (персульфат аммония, надсернокислый аммоний) (NH4)2S2O8 или по номенклатуре ИЮПАК (NH4)2S2O6(O2), как диспергирующего агента, взятого в соотношении между персульфатом аммония и общей концентрацией ионов металлов 0,08-0,65 (концентрация составляет от 0 до 0,15 моль/л). В качестве основного осадителя используют водный раствор аммиака, в зону которого при перемешивании вводят смесь водных растворов персульфата аммония, хлористых солей алюминия, иттрия и легирующих элементов в количестве, соответствующем молярному соотношению катионов металлов, согласно формуле YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %). После чего, полученную реакционную смесь перемешивают со скоростью 300-500 об/мин. Выделенный осажденный продукт промывают водой до рН=7-7,5.
Мало агломерированные наноразмерные порошки прекурсора твердых растворов на основе бинарного соединения иттрий-алюминиевого граната (Y3AI5O12), солегированного ионами редкоземельных элементов, получали методом химического обратного осаждения с последующей сушкой и прокаливанием с целью синтеза гомогенного монофазного кубического твердого раствора.
В качестве компонентов для получения твердого раствора на основе бинарного соединения иттрий-алюминиевого граната (Y3AI5O12) используют оксиды или композиции редкоземельных элементов: Er2O3; Yb2O3; Tm2O3; Ho2O3; композиции Er2O3-Tm2O3; Er2O3-Ho2O3; Er2O3-Tm2O3-Ho2O3; Yb2O3-Tm2O3; Yb2O3-Tm2O3-Ho2O3; Yb2O3-Ho2O3, которые вводят в состав иттрий-алюминиевого граната в пределах 1,0-50,0 ат. % по отношению к атому иттрия (Y+3).
При введении в состав иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ) или их композиций имеет место образование твердых растворов замещения только катионов иттрия на катионы редкоземельных элементов (РЗЭ). Поэтому расчеты составов проводятся, исходя из формулы твердого раствора Y3-XMeXAI5O12, где х - доля катиона РЗЭ или сумма долей катионов РЗЭ, вводимых в состав иттрий-алюминиевого граната и замещаемых катионов иттрия. Из уровня техники известен способ (RU 2137867 C1, 20.09.1999), по которому гидротермальную обработку стехиометрической смеси оксидов иттрия и алюминия проводят в 1-3%-ных водных растворах активаторов, в качестве которых используют соли щелочных металлов и аммония предельных органических кислот (С1-С3), при 270-360°С и PH2O=56-190 атм. Легированный ИАГ получают путем введения в исходную смесь оксидов добавок неодим- или хромсодержащих компонентов.
Недостатком данного способа является использование солей щелочноземельных металлов и органических кислот (С1-СЗ), что ведет к встраиванию в кристаллическую решетку ионов щелочноземельных металлов и ухудшению генерационных свойств высокотемпературной керамики. Анионы органических кислот (С1-СЗ) являются «поставщиками» свободного углерода, ведет к появлению «серого» фильтра. Проведение процесса при 270-360°С способствует сильной агломерации получаемого продукта. Кроме того, применение автоклава в данном процессе является взрывоопасным.
Известен способ получения прозрачного керамического материала на основе оксида иттрия (Т. Onodera, Т. Ikegami, Y. Yajima, М. Kawamura, М. Sakai, and Moriyoshi, "Effects of the sulfate ion exeted on densification of yttria on precursor synthetic," J. Ceram. Soc. Japan, vol. 111, no. 9, pp. 664-668, 2003), включающий введение 0-50 мол. % сульфата аммония по отношению к гидроксиду иттрия до стадии высокотемпературной обработки, при этом оптимальная концентрация составляет 10 мол. %. Диспергирующий агент в виде сульфата аммония вводят для формирования частиц более правильной формы без острых углов по сравнению с частицами порошков, синтезированных без применения сульфат-ионов и увеличения светопропускания керамики. Однако этот способ не распространяется на получение алюмоиттиевого граната, допированного редкоземельными элементами.
Известен способ получения алюмоиттриевого граната, легированного редкоземельными элементами (Патент РФ на изобретение RU 2503754, кл. МПК С30В 29/28, C09K 11/80, опубл. 10.01.2014), который осуществляют методом осаждения путем введения исходных соединений алюминия, иттрия и легирующих элементов в осадитель с последующим выделением осажденного продукта и прокалкой полученного порошкообразного продукта, при этом осаждение проводят в присутствии фторсодержащей добавки, а в качестве осадителя используют гидрокарбонат аммония, в водный раствор которого при перемешивании вводят смесевый водный раствор азотнокислых солей алюминия, иттрия и легирующих элементов, после чего полученную реакционную смесь перемешивают и выделенный осажденный продукт промывают водой, сушат и прокаливают.
Недостатком данного способа является использование фторсодержащей добавки, фторанионы которой ведут к заведомой агломерации частиц за счет образование фторидных «мостиков», и появлению второй фазы в виде фторидов иттрия и редкоземельных элементов.
Известен также способ получения Nd:Y2O3 керамики (Н. Qin et al, "Ammonium sulfate regulation of morphology of Nd:Y203 precursor via urea precipitation method and its effect on the sintering properties of Nd:Y203 nanopowders," CrystEngComm, vol. 14, no. 5, p. 1783, 2012), в котором с целью регуляции морфологии наночастиц за счет изменения концентрации сульфат-ионов и уменьшение размеров частиц и степени агломерации при увеличении концентрации сульфата аммония вводят 0-40 масс. % сульфата аммония по отношению к расчетной массе керамического порошка. В данной публикации не указана оптимальная концентрация сульфата аммония и не ясно, на каком этапе синтеза осуществляют введение в раствор солей сульфата аммония.
Известен способ получения наноразмерного порошка алюмоиттриевого граната (Патент РФ RU 2576271 С1, МПК: C01F 17/00, В82В 1/00, B82Y 30/00, приоритет 23.12.2014). Изобретение относится к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, которые могут быть использованы для изготовления элементов твердотельных лазеров ближнего и среднего ИК-диапазонов, для разработки сцинтилляторов и люминофоров, а также в производстве термостойкой керамики. Способ получения наноразмерного порошка алюмоиттриевого граната включает приготовление исходных реакционных водных растворов, содержащих соли иттрия (III) и алюминия в молярном отношении 3:5. Сначала реагент-осадитель, в качестве которого используют сильноосновный гелевый анионит АВ-17-8 в гидроксидной форме, приводят в контакт с раствором солей иттрия (III) при комнатной температуре в течение 20 мин, затем добавляют раствор солей алюминия (III). Из полученного раствора осаждают продукт-прекурсор, отделяют его от раствора, промывают водой, сушат и обжигают при температуре 900°С. Ионообменный способ обеспечивает получение наноразмерного порошка алюмоиттриевого граната, не содержащего катионов осадителя, без применения агрессивных сред и давлений.
К недостаткам описываемого изобретения следует отнести использование в качестве осадителя сильноосновного гелевого анионита АВ-17-8 в гидроксидной форме, так как на гранулах данного осадителя образуются высоко агломерированные «наросты», что создает большие трудности в отделении продукта-прекурсора от основы анионита.
Из статьи (Н. Tomaszewski, A. Wajler, Н. Weglarz, A. Sidorowicz, U. Brykala, and K. Jach, "Effect of ammonium sulfate on morphology of Y2O3 nanopowders obtained by precipitation and its impact on the transparency of YAG ceramics," Adv. Sci. Technol, vol. 87, pp. 67-72, 2014) известно применение сульфата аммония в качестве соединения, влияющего на изменение зета-потенциала частиц YAG:Re керамики, причем, только для синтеза порошков Y2O3-AI2O3. Изменение зета-потенциала частиц происходит за счет адсорбции сульфат-ионов на поверхности частиц. Авторы вводят 10-30 масс. % сульфата аммония по отношению к расчетной массе Y2O3. Введение осуществляют в раствор иттрия на этапе синтеза. Оптимальная концентрация 20-25 масс. % Однако, как указывают авторы, сульфат аммония не оказал влияние на форму и размеры частиц порошка.
В работе (Y. Lv et al, "Synthesis of nano-sized and highly sinterable Nd. YAG powders by the urea homogeneous precipitation method," Powder Technol, vol. 217, pp. 140-147, 2012) также рассматривается изменение зета-потенциала частиц при введении в раствор солей сульфата аммония 0-9,12 масс. % по отношению к массе исходных солей на этапе синтеза за счет адсорбции сульфат-ионов на поверхности протограната. Кроме того, указано, что присутствие сульфат-ионов способствует формированию дендритной структуры порошков-прекурсоров и замедляет рост и агломерацию при прокаливании, причем при концентрации выше 7 масс. % разница в морфологии частиц не обнаружена. Однако, авторы указывают, что присутствие сульфат-ионов препятствует образованию фазы граната. При этом оптимальная концентрация сульфата аммония не указана.
При получении YAG:Yb керамики авторы (Y.-H. Sun, Z.-M. Yang, C.-N. Xie, and Z.-H. Jiang, "Comparative Study of Synthesis and Characterization of YAG:Yb Nanoparticles Using Different Precipitator by Co-Precipitation Method," J. Nanosci. Nanotechnol, vol. 10, no. 12, pp. 8102-8111, 2010) предлагают введение в раствор солей или в раствор-осадитель (в случае использования гидрокарбоната аммония в качестве осадителя) на этапе синтеза сульфата аммония. Соотношение между сульфатом аммония и общим количеством ионов металлов 1:2.
Положительный эффект сульфата аммония при использовании в качестве осадителя гидрокарбоната аммония: частицы правильной формы с узким распределением по размеру мало агломерированы. При этом оптимальная концентрация сульфата аммония не указана. В цитируемой статье не приводятся конкретные технические решения, а описана перспектива создания новых оптически прозрачных материалов на основе иттрий-алюминиевого граната.
Известен способ получения прозрачного керамического материала на основе YAG:Nd (Т. Не et al, "CN 101269956 A Method of preparing yttrium aluminum garnet transparent ceramic doping neodymium," 2008) при прямом осаждении вводят 1-10 мол. % сульфата аммония по отношению к общему количеству ионов металлов в растворе солей. Приводятся основные стадии процесса: 1) введение сульфата аммония в раствор солей; 2) осаждение раствора нитратных солей и сульфата аммония в гидрокарбонат аммония; 3) старение, фильтрация, промывка; 4) прокаливание и измельчение; 5) введение временной технологической связки; 6) предварительной обжиг; вакуумное спекание.
В предлагаемом изобретении не объясняется выбор сульфата аммония и не приводится конкретный положительный эффект. Кроме того, в данном решении наряду с сульфатом аммония применяют додецилсульфат натрия в аналогичных концентрациях, что приводит к загрязнению целевого продукта ионами натрия.
В патенте (L. Yuan, Т. Fei, С. Yongge, G. Wang, Н. Zhi, and Q. Huang, "CN 102190484 A Preparation method for YAG (yttrium aluminum garnet) transparent ceramic," 2010) при получении прозрачного керамического материала на основе YAG обратным соосаждением используют комбинированный дисперсант: 10-40 мол. % сульфата аммония и 0,5-0,2 мол. % полиакрилата аммония по отношению к общему количеству ионов металлов в растворе солей (нитраты). В качестве осадителя используют гидрокарбонат аммония. Основные стадии: старение; отмывка этанолом; сушка; просеивание; дезагрегация с введением TEOS; сушка; просеивание; прокаливание при 1150-1200°С; ХИП; вакуумное спекание; осветление. К недостаткам указанного способа следует отнести применение комбинированного дисперсанта, который влечет за собой длительную отмывку, за счет полиакрилата аммония и достаточно низкое светопропускание керамики до 72%.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения прозрачного поликристаллического твердотельного материала со структурой иттрий-алюминиевого граната (YAG) (Т. Ikegami, Т. Mori, S. Ri, and Т. Ri, "JP 2001270775 A Method of producing YAG transparent sintered body," 2000), при котором маточный раствор катионов солей заданного состава формируют путем растворения хлоридов или сульфатов требуемых катионов (иттрия, алюминия и редкоземельных металлов) в воде и вводят в исходный раствор 10-100 мол. % сульфата аммония по отношению к заданному YAG.
Недостатком известного способа является то, что в процессе осаждения и отмывки прекурсора в виде тройных гидроксидов иттрия, алюминия и соответствующих РЗЭ продукт получают высоко агломерированным, в межзеренном пространстве задерживается большое количество маточного раствора, что не позволяет получить высокостехиометричный прекурсор. Кроме того, в патенте не выявлен механизм действия сульфата аммония, границы концентраций настолько широки, что определить оптимальный состав не представляется возможным. Не рассматривается влияние добавок сульфата аммония на удельную поверхность тройных гидроксидов, что является одним из важнейших параметров при синтезе алюмоиттриевых гранатов.
С целью устранения указанных недостатков и появления новых положительных качеств целевого продукта предлагается способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната, заключающийся в том, что процесс осаждения прекурсора ведут в присутствии персульфата аммония, взятого в определенных соотношениях по отношению к исходным хлоридам иттрия и алюминия. Исходный прекурсор получают методом обратного гетерофазного осаждения путем растворения хлоридов требуемых катионов (иттрия, алюминия и редкоземельных металлов) в воде при нагревании и введении персульфата аммония с концентрацией от 0 до 0,15 моль/л. Синтез осуществляют обратным осаждением в водном растворе аммиака. Осадок декантируют в деионизированной воде до рН=7, последние стадии декантации осуществляют 2-3 порциями ацетона особой чистоты. Образовавшийся прекурсор отжимают на воронке Бюхнера и промывают еще раз на воронке Бюхнера 2-3 порциями ацетона. После отжима полученный порошок прекурсора переносят с воронки Бюхнера на кальку и помещают кальку с порошком прекурсора в вакуумный сушильный шкаф и сушат при температуре 60-80°С в течение не менее 8 часов.
Технический результат, который достигается при использовании реализации заявляемого технического решения, заключается в уменьшении размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната, солегированного ионами редкоземельных элементов.
Предлагаемый способ отличается от известного использованием в составе исходных растворов хлоридов иттрия, алюминия и редкоземельных металлов в воде персульфата аммония, что обуславливает решение поставленной цели изобретения.
Для исследования влияния персульфата аммония в качестве дисперсанта на морфологию порошков керамики YAG:Yb,Er и YAG:Yb проведены исследования влияния концентрации дисперсанта (персульфата аммония) в растворе исходных солей на морфологию керамических порошков. Исследовался состав YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %). Исходные параметры синтеза оксогидратов (прекурсоров) в эксперименте по исследованию влияния концентрации персульфата аммония в качестве дисперсанта на морфологию порошков керамики YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %) приведены в таблице 1.
Морфология полученных керамических порошков YAG:Yb/Er была исследована с помощью сканирующей электронной микроскопии. Изобретение поясняется изображениями. На изображениях представлены СЭМ-микрофотографии образцов керамики YAG:Yb/Er (термообработка при 1100°С). Концентрация персульфата аммония при осаждении составляла 0 моль/л (Фиг. 1); 0,02 моль/л (Фиг. 2); 0,06 моль/л (Фиг. 3); 0,08 моль/л (Фиг. 4); 0,10 моль/л (Фиг. 5); 0,15 моль/л (Фиг. 6).
Анализ микрофотографий показал, что в случае осаждения без персульфата аммония (фиг. 1) и в присутствии персульфата аммония с концентрацией 0,02 моль/л (фиг. 2) в образцах присутствуют жесткие агломераты, в которых частицы связаны между собой преимущественно сильными связями.
При увеличении концентрации персульфата аммония до 0,06-0,15 моль/л (фиг. 3-6) визуально наблюдается значительное снижение степени агломерации частиц в керамических порошках. Заявляемый эффект достигается за счет разложения персульфата аммония (NH4)2S2O8 в присутствии воды: (NH4)2S2O8=(NH4)2S2O6+O2 и выделяющийся кислород в процессе синтеза обладает расклинивающим действием.
Для численной оценки степени агломерации частиц с помощью метода БЭТ была измерена удельная поверхность полученных образцов. Также были рассчитаны средние размеры агрегатов с помощью формулы (Zhang, L. High sinterability nano-Y2O3 powders prepared via decomposition of hydroxyl-carbonate precursors for transparent ceramics / L. Zhang, и др. // J Mater Sci. - 2017 - V. 52(14). - P. 8556-8567.):
DBET=6/(ρ*SBET),
где ρ - плотность керамики YAG: Yb/Er, г/см3;
SBET - удельная поверхность полученных образцов, м /г.
Размер нанокристаллитов, составляющих агрегаты, может быть рассчитан с помощью формулы Шеррера (Zhang, L. High sinterability nano-Y2O3 powders prepared via decomposition of hydroxyl-carbonate precursors for transparent ceramics / L. Zhang, идр. // J Mater Sci. - 2017 - V. 52(14). - P. 8556-8567.) по результатам рентгенофазового анализа образцов:
где λ - длина волны рентгеновского излучения медного катода (0,15406 нм);
β - ширина на полувысоте дифракционного максимума.
Степень агрегации может быть оценена с помощью параметра агрегации, вычисляемого по формуле (Liu, Y. Synthesis of nanostructured Nd: Y2O3 powders by carbonate-precipitation process for Nd: YAG ceramics / Y. Liu. и др. // J Eur Ceram Soc. - 2013 - V. 33. - P. 2625-2631.):
n=(DBET/DXRD)3.
В таблице 2 представлены расчетные значения величин.
При увеличении концентрации (NH4)2S2O8 на стадии осаждения от 0 до 0,15 моль/л поверхность керамического порошка становится гораздо более развитой. Значение удельной поверхности возрастает от 1,25 до 15,3 м2/г. Расчетное значение степени агломерации керамического порошка n падает от 1443,43 до 3,25. Согласно литературным данным (Zhang, L. High sinterability nano-Y2O3 powders prepared via decomposition of hydroxyl-carbonate precursors for transparent ceramics / L. Zhang, идр. // J Mater Sci. - 2017 - V. 52(14). - P. 8556-8567.), прозрачные керамические образцы могут быть получены при степени агломерации менее 20, а обладающие высоким светопропусканием менее 10 при условии соблюдения стехиометрии материала. Таким образом, порошки граната, полученные при обратном осаждении из хлоридов в присутствии дисперсанта (NH4)2S2O8 с концентрацией выше 0,02 моль/л пригодны для получения керамики с высоким светопропусканием. Наличие персульфата аммония в отличие от прототипа в любом количестве позволяет достичь уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната, солегированного ионами редкоземельных элементов.
Однако увеличение концентрации персульфата аммония в качестве дисперсанта более 0,15 моль/л может приводить к смещению стехиометрии керамического порошка. Так, при увеличении концентрации персульфата аммония более 0,15 моль/л наблюдается смещение стехиометрии граната YAG:Yb/Er в сторону избытка алюминия. Таким образом, необходимо учитывать фактор влияния концентрации (NH4)2S2O8 на стехиометрическое соотношение металлов в керамическом порошке. Предположительно механизм явления связан с тем, что (NH4)2S2O8 является солью сильной кислоты и слабого основания и при ее диссоциации равновесный рН среды уменьшается. В соответствии с исследованиями, связанными с влиянием равновесного рН маточного раствора после осаждения на состав керамического порошка, растворимость гидроксида алюминия уменьшается при уменьшении рН от щелочного к нейтральному. Поскольку процесс осаждения начинается при значении рН, равном 10,5, а завершается при значениях рН от ~8,5 до 9,5 в зависимости от концентрации сульфата аммония, растворимость осажденных оксигидратов также будет различной.
Поставленная задача решается способом получения заявленного материала, который включает: растворение исходных прекурсоров (хлоридов иттрия, алюминия, эрбия, иттербия), взятых в стехиометрическом соотношении и хлорида скандия в количестве 20 мол. % сверх стехиометрии граната, введением персульфата аммония заданной концентрации; совместное соосаждение водным раствором аммиака. Осадок декантируют в деионизированной воде до рН=7, последние стадии декантации осуществляют 2-3 порциями ацетона особой чистоты. Образовавшийся прекурсор отжимают на воронке Бюхнера и промывают еще раз на воронке Бюхнера 2-3 порциями ацетона. После отжима полученный порошок прекурсора переносят с воронки Бюхнера на кальку и помещают кальку с порошком прекурсора в вакуумный сушильный шкаф и сушат при температуре 60-80°С в течение не менее 8 часов.
Заявляемый способ поясняется примерами конкретного исполнения.
Пример 1. (по прототипу) Готовят маточный раствор из хлоридов иттрия, алюминия, иттербия и эрбия заданного состава, исходя из формулы YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %), путем растворения хлоридов в воде при нагревании, затем добавляют 0,33 мол/л сульфата аммония и добавляют в водный раствор аммиака. Полученный прекурсор имеет удельную поверхность, равную 2,45 м /г, степень агрегации n=721,17. Полученная из данного прекурсора оптическая керамика имела светопропускание 68%.
Пример 2. Готовят маточный раствор из хлоридов иттрия, алюминия, иттербия и эрбия заданного состава, исходя из формулы YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %), путем растворения хлоридов в воде при нагревании, затем добавляют персульфат аммония, исходя из концентрации 0,02 моль/л и добавляют в водный раствор аммиака. Полученный прекурсор имеет удельную поверхность, равную 3,741 м2/г, степень агрегации n=101,008. Полученная из данного прекурсора оптическая керамика имела светопропускание 72%.
Пример 3. Готовят маточный раствор из хлоридов иттрия, алюминия, иттербия и эрбия заданного состава, исходя из формулы YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %), путем растворения хлоридов в воде при нагревании, затем добавляют персульфат аммония, исходя из концентрации 0,08 моль/л и добавляют в водный раствор аммиака. Полученный прекурсор имеет удельную поверхность, равную 12,70 м2/г, степень агрегации n=4,30. Полученная из данного прекурсора оптическая керамика имела светопропускание 75%.
Пример 4. Готовят маточный раствор из хлоридов иттрия, алюминия, иттербия и эрбия заданного состава, исходя из формулы YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %), путем растворения хлоридов в воде при нагревании, затем добавляют персульфат аммония, исходя из концентрации 0,1 моль/л и добавляют в водный раствор аммиака. Полученный прекурсор имеет удельную поверхность, равную 14,915 м /г, степень агрегации n=3,314. Полученная из данного прекурсора оптическая керамика имела светопропускание 78%.
Пример 5. Готовят маточный раствор из хлоридов иттрия, алюминия, иттербия и эрбия заданного состава, исходя из формулы YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %), путем растворения хлоридов в воде при нагревании, затем добавляют персульфат аммония, исходя из концентрации 0,15 моль/л и добавляют в водный раствор аммиака. Полученный прекурсор имеет удельную поверхность, равную 15,308 м2/г, степень агрегации n=3,251. Полученная из данного прекурсора оптическая керамика имела светопропускание 82%.
Таким образом, заявляемый способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната является достаточно простым, в результате его использования уменьшается время получения конечного продукта, повышается гомогенность и дисперсность полученного продукта, а также появление новых положительных качеств целевого продукта - большая удельная поверхность, малая степень агрегации и, как результат, высокая прозрачность керамики, полученной из данного прекурсора (таблица 3).
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного способа уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната не известна из уровня техники и соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного способа для получения уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната может быть использован в химической промышленности и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».
Claims (1)
- Способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната, включающий приготовление исходного раствора из хлоридов иттрия, алюминия, иттербия и эрбия заданного состава, исходя из формулы YAG:Yb (15 ат. %)/Er (3 ат. %) путем растворения хлоридов в воде при нагревании с последующим введением в водный раствор аммиака, декантацию в деионизированной воде, фильтрование, последующую сушку и измельчение, причем растворы исходных хлоридов содержат персульфат аммония с концентрацией от 0 до 1,0 моль/л, предпочтительная концентрация персульфата аммония от 0,02 до 0,15 моль/л.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018112193A RU2700074C1 (ru) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | Способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018112193A RU2700074C1 (ru) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | Способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2700074C1 true RU2700074C1 (ru) | 2019-09-12 |
Family
ID=67989629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018112193A RU2700074C1 (ru) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | Способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2700074C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741733C1 (ru) * | 2020-07-29 | 2021-01-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Способ получения нанопорошка иттрий-алюминиевого граната |
| RU2840678C1 (ru) * | 2024-10-08 | 2025-05-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Способ получения оптической керамики на основе иттрий-алюминиевого граната в порошковой засыпке оксида иттрия |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001270775A (ja) * | 2000-03-27 | 2001-10-02 | National Institute For Materials Science | Ｙａｇ透明焼結体の製造法 |
| CN103102156A (zh) * | 2011-11-10 | 2013-05-15 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 凝胶注模成型制备Re:YAG透明陶瓷 |
-
2018
- 2018-04-04 RU RU2018112193A patent/RU2700074C1/ru active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001270775A (ja) * | 2000-03-27 | 2001-10-02 | National Institute For Materials Science | Ｙａｇ透明焼結体の製造法 |
| CN103102156A (zh) * | 2011-11-10 | 2013-05-15 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 凝胶注模成型制备Re:YAG透明陶瓷 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SUN, YAN-HU et al., Comparative Study of Synthesis and Characterization of YAG:Yb3+ Nanoparticles Using Different Precipitator by Co-Precipitation Method, "Journal of Nanoscience and Nanotechnology", 2010, Vol.10, No.12, pp. 8102-8111. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741733C1 (ru) * | 2020-07-29 | 2021-01-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Способ получения нанопорошка иттрий-алюминиевого граната |
| RU2840678C1 (ru) * | 2024-10-08 | 2025-05-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Способ получения оптической керамики на основе иттрий-алюминиевого граната в порошковой засыпке оксида иттрия |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Co-precipitation synthesis route to yttrium aluminum garnet (YAG) transparent ceramics | |
| CN104797531B (zh) | 包覆钛酸钡细颗粒及其制造方法 | |
| Li et al. | Synthesis of yttria nano-powders by the precipitation method: the influence of ammonium hydrogen carbonate to metal ions molar ratio and ammonium sulfate addition | |
| Jing et al. | High efficiency synthesis of Nd: YAG powder by a spray co-precipitation method for transparent ceramics | |
| Lee et al. | Synthesis and characterization of nanocrystalline MgAl2O4 spinel by polymerized complex method | |
| JPWO2016017745A1 (ja) | チタン酸リチウム系複合生成物の前駆体及びその製造方法 | |
| Fu et al. | Coating Y2O3 nano-particles with ZrO2-additive via precipitation method for colloidal processing of highly transparent Y2O3 ceramics | |
| Lv et al. | Synthesis of nano-sized and highly sinterable Nd: YAG powders by the urea homogeneous precipitation method | |
| CN109678506B (zh) | 一种氧化铒透明陶瓷的制备方法 | |
| JP5034349B2 (ja) | ジルコニア微粉末及びその製造方法並びにその用途 | |
| Kafili et al. | A comparative approach to synthesis and sintering of alumina/yttria nanocomposite powders using different precipitants | |
| RU2689721C1 (ru) | Способ получения высокостехиометричных наноразмерных материалов на основе иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов | |
| Du et al. | Synthesis of MgAl2O4 spinel nanoparticles via polymer-gel and isolation-medium-assisted calcination | |
| Liu et al. | Effect of ammonium carbonate to metal ions molar ratio on synthesis and sintering of Nd: YAG nanopowders | |
| RU2700074C1 (ru) | Способ уменьшения размеров частиц и степени агломерации на стадии синтеза исходных прекурсоров при получении алюмоиттриевого граната | |
| CN102190484A (zh) | Yag透明陶瓷的制备方法 | |
| CN108358635B (zh) | 一种磁光氧化钬透明陶瓷的制备方法 | |
| RU2699500C1 (ru) | Способ получения малоагломерированных высокостехиометричных наноразмерных порошков прекурсора на основе иттрий-алюминиевого граната с катионами редкоземельных элементов | |
| EP0517437B1 (en) | Zirconium oxide powder and a method of making thereof | |
| RU2721548C1 (ru) | Комплексный способ получения малоагломерированных высокостехиометричных наноразмерных порошков прекурсора на основе иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов | |
| JP4869647B2 (ja) | 希土類元素添加酸化セリウム粉体の製造方法 | |
| CN104445341A (zh) | 一种纯yag相的钇铝石榴石纳米粉体的制备方法 | |
| JP2003206137A (ja) | 部分安定化または安定化ジルコニア微粉体とその前駆体およびそれらの製造方法 | |
| RU2707840C1 (ru) | Способ получения высокостехиометричного наноразмерного прекурсора для синтеза твердых растворов иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов | |
| Zhang et al. | Fabrication, microstructure and properties of transparent Yb: Y2O3 ceramics from co-precipitated nanopowders |