Nd：YAG納米粉體微結(jié)構(gòu)調(diào)控及膠體化學(xué)性能研究.pdf

1、激光材料是激光技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ),作為新一代固體激光材料一透明激光陶瓷,對(duì)國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。Nd:YAG激光陶瓷的出現(xiàn)和發(fā)展是基于納米科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上的。盡管激光陶瓷材料的制備技術(shù)取得了很大進(jìn)展,但由于納米粉體合成過(guò)程中的一些物理、化學(xué)機(jī)制還不清楚,人們尚無(wú)法穩(wěn)定獲得高純、相結(jié)構(gòu)完美、分散良好、粒徑和形狀可控的激光陶瓷粉體,這是影響激光陶瓷性能的主要因?yàn)?。另?陶瓷的成型是制備高性能透明陶瓷的另一個(gè)關(guān)鍵因

2、素,注漿成型作為一種最利于激光陶瓷真空燒結(jié)的成型方法并沒(méi)有被系統(tǒng)地研究,這也是難以得到高性能透明激光陶瓷的關(guān)鍵因素之一。因此,本論文對(duì)最具批量制備意義的化學(xué)共沉淀法和尿素均相合成法Nd:YAG納米陶瓷粉體的前驅(qū)體制備過(guò)程中成核與生長(zhǎng)機(jī)制及分散劑的作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)Nd:YAG納米陶瓷粉體相組成與形貌的調(diào)控,獲得了具有良好燒結(jié)性能的納米粉體；此外,對(duì)Nd:YAG粉體的膠體化學(xué)性質(zhì)及注漿成型特性進(jìn)行了研究,為注漿成型工藝方法奠

3、定了理論基礎(chǔ)。
　　 1.Nd:YAG納米陶瓷粉體的微結(jié)構(gòu)調(diào)控
　　 (1)對(duì)碳酸氫銨共沉淀和尿素均相沉淀法合成Nd:YAG前驅(qū)體的成核和生長(zhǎng)機(jī)制及熱處理過(guò)程中納米粉體中結(jié)晶相的形成與演化機(jī)制進(jìn)行了研究,著重進(jìn)行了在不同添加方式的情況下,無(wú)機(jī)分散劑硫酸銨的作用機(jī)制及其對(duì)Nd:YAG粉體的尺寸、形貌及相組成等的微結(jié)構(gòu)調(diào)控。研究表明,對(duì)于碳酸氫銨共沉淀法,當(dāng)硫酸銨添加到離子溶液中時(shí),不能實(shí)現(xiàn)對(duì)Nd:YAG前驅(qū)體的形貌及煅燒后

4、粉體的微結(jié)構(gòu)與燒結(jié)特性的調(diào)節(jié)與控制作用；當(dāng)硫酸銨的添加方式改為添加到碳酸氫銨沉淀劑溶液中時(shí),SO42-離子在Nd:YAG前驅(qū)體顆粒表面產(chǎn)生了有效吸附,并影響了前驅(qū)體的成核與團(tuán)聚,從而調(diào)節(jié)了前驅(qū)體顆粒的形貌和分散程度,并通過(guò)對(duì)硫酸根高溫下的分解過(guò)程研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)煅燒后粉體相組成和顆粒尺寸的控制,調(diào)節(jié)和改善了粉體的燒結(jié)性能。在對(duì)不同形貌的Nd:YAG粉體的燒結(jié)性能研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn),納米粉體的燒結(jié)性能的優(yōu)劣并不單調(diào)依賴(lài)于顆粒尺寸的減小,而且具有

5、架狀結(jié)構(gòu)的粉體同樣具有良好的燒結(jié)性能。
　　 (2)提出了對(duì)已經(jīng)合成的Nd:YAG前驅(qū)體的硫酸銨表面改性,并通過(guò)對(duì)前驅(qū)體的動(dòng)電特性和光譜測(cè)試研究了Nd:YAG前驅(qū)體表面改性機(jī)理,發(fā)現(xiàn)硫酸銨對(duì)前驅(qū)體的微結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用源于SO42-取代了膠體顆粒表面的部分羥基,并由此導(dǎo)致了膠體顆粒聚集成類(lèi)球形的前驅(qū)體顆粒。此外,研究表明,Nd:YAG前驅(qū)體的硫酸銨表面改性,還可以影響和控制粉體的煅燒過(guò)程和煅燒后粉體的微結(jié)構(gòu),并顯著影響Nd:YAG陶

6、瓷的透明性。
　　 (3)研究了尿素均相沉淀法合成Nd:YAG過(guò)程中的前驅(qū)體成核、生長(zhǎng)及形貌控制及其煅燒合成中的物理化學(xué)過(guò)程,并研究了合成條件對(duì)粉體的燒結(jié)性能的影響。以混合溶液Al(NO3)3、Y(NO3)3、Nd(NO3)3為母鹽,尿素為沉淀劑,通過(guò)對(duì)前驅(qū)體Zeta電位和FT-IR分析研究了SO42-對(duì)前驅(qū)體顆粒的表面作用機(jī)理。TEM的結(jié)果顯示:SO42-在前驅(qū)體顆粒的合成過(guò)程中起結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用,將納米顆粒組裝成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。XRD

7、的結(jié)果表明,隨著硫酸銨的量的增加,形成純相Nd:YAG粉體所需要的煅燒溫度越高,這是由于硫酸根在煅燒過(guò)程中阻礙了顆粒之間的元素?cái)U(kuò)散,從而需要更高的煅燒溫度。從煅燒后粉體的形貌及晶粒尺寸和燒結(jié)性能的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)(NH4)2SO4加入量為4.56 wt％時(shí),既可使Nd:YAG在相對(duì)低溫下(1000℃)獲得,又使其具有均勻的粒度和良好的燒結(jié)性能。因此,(NH4)2SO4是Nd:YAG納米粉體合成過(guò)程中對(duì)前驅(qū)體粉體的形貌及煅燒后粉體的微結(jié)構(gòu)控制

8、的重要因素。
　　 在此基礎(chǔ)上,研究尿素均相沉淀過(guò)程中尿素的濃度對(duì)Nd:YAG前驅(qū)體及煅燒后粉體微結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)(NH4)2SO4加入量為4.56wt％時(shí),離子濃度為0.08mol/L時(shí),尿素的用量影響合成粉體的微結(jié)構(gòu)及燒結(jié)性能。對(duì)粉體的形貌及燒結(jié)性能分析,高的尿素含量能獲得較理想的Nd:YAG粉體。當(dāng)[U]/[M]=40時(shí),真空燒結(jié)后的陶瓷具有最好的透明性。因此,合成體系中尿素的濃度是實(shí)現(xiàn)Nd:YAG納米粉體的微結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用

9、的另一個(gè)重要因素。
　　 (4)研究了Nd:YAG粉體合成過(guò)程中,當(dāng)鋁和釔分別偏離化學(xué)計(jì)量比時(shí),產(chǎn)物中的反位缺陷及其形成機(jī)制。離子比偏離化學(xué)計(jì)量比條件下,研究采用碳酸氫銨共沉淀的方法合成YAG粉體中的反位缺陷,為合成化學(xué)計(jì)量比的粉體提供了重要的理論基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn):
　　 在YAG粉體合成過(guò)程中,在體系中加入過(guò)量的Al離子,當(dāng)鋁離子過(guò)量少于20at％時(shí),產(chǎn)生高溫下穩(wěn)定的非化學(xué)計(jì)量比單一的石榴石相。這種相是由體系中的鋁離子取

10、代釔離子形成了反位缺陷,從而使體系保持了釔鋁石榴石相結(jié)構(gòu)。XRD、等離子發(fā)射光譜(ICP)及HRTEM支持了上述結(jié)論；擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)結(jié)果給出了鋁過(guò)量的YAG粉體中部分Al占據(jù)了Y的十二面體的位置的直接證據(jù),從而確認(rèn)了鋁反位缺陷在納米粉體中的存在。在YAG納米粉體中,體系對(duì)Al取代Y形成的反位缺陷有較高的容忍度,有可能兩個(gè)鋁離子占據(jù)一個(gè)Y-O十二面體的位置,保證空間和電負(fù)性的平衡。這一結(jié)論與以往的釔鋁石榴石單晶中得到

11、的反位缺陷不一致。
　　 體系中加入過(guò)量的釔離子,容易出現(xiàn)富釔的雜質(zhì)相,并且隨著溫度升高雜質(zhì)相含量增大。這說(shuō)明,較低溫度下Y取代Al-O的八面體位置,形成非化學(xué)計(jì)量比的釔鋁石榴石相。但由于體系不穩(wěn)定,高溫下容易分解產(chǎn)生YAP和YAM等富釔雜質(zhì)相。擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)結(jié)果證實(shí)了Y可能占據(jù)了Al-O八面體的位置,但容忍度低,并且在高溫下容易退出。
　　 以上結(jié)論說(shuō)明:YAG納米粉體中鋁過(guò)量時(shí)Al對(duì)Y的取代比釔

12、過(guò)量時(shí)Y對(duì)Al的取代更容易也更穩(wěn)定,這與單晶材料中Y對(duì)Al的取代比Al對(duì)Y的取代更容易發(fā)生的結(jié)論相反。
　　 2.粉體的膠體化學(xué)性質(zhì)研究
　　 對(duì)Nd:YAG納米粉體的膠體化學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究了不同pH情況下,Nd:YAG粉體因雙電層厚度變化導(dǎo)致的動(dòng)電電位的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)pH=10.5的條件下,納米顆粒之間斥力最大,是形成穩(wěn)定料漿的最佳條件。選擇聚丙烯酸銨作為分散劑,研究了分散劑用量對(duì)Zeta電位的影響,確定了最佳分

13、散劑用量為2.6wt％。在此基礎(chǔ)上,配置固含量為65wt％的Nd:YAG料漿,并研究了其流變特性。通過(guò)特殊的真空注漿技術(shù)得到了相對(duì)密度達(dá)57.7％的高密度、高均勻性的坯體。為Nd:YAG納米粉體的注漿成型提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　 基于對(duì)固相反應(yīng)燒結(jié)Nd:YAG激光陶瓷成型方法的支持,對(duì)Nd2O3、Al2O3、Y2O3復(fù)合粉體的動(dòng)電特性、漿料流變性能及坯體的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究表明,復(fù)合粉體與Nd:YAG納米粉體有類(lèi)似的膠

14、體化學(xué)行為,但分散劑的用量遠(yuǎn)大于Nd:YAG粉體,這是由復(fù)合粉體中的部分顆粒尺寸較大造成的。類(lèi)似條件下得到的復(fù)合粉體漿料的流動(dòng)性能與Nd:YAG粉體漿料的流變特性有明顯區(qū)別。當(dāng)分散劑濃度為5.2wt％,固含量為53wt％時(shí),復(fù)合粉體料漿具有最佳流動(dòng)性能,通過(guò)注漿技術(shù)獲得了均勻一致的密度達(dá)56.8％的復(fù)合氧化物坯體。
　　 本文對(duì)Nd:YAG納米粉體的微結(jié)構(gòu)調(diào)控和粉體的膠體化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究,獲得一些有創(chuàng)新意義的研究結(jié)果,這為