Золь-гель синтез ультрадисперсного порошка иттрий -алюминиевого граната Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

S II 0 «F il В химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. № 8 (101)

4

УДК 666.3:539,219.3

П. П. Файков, Д. А. Маслов, Е. В. Жариков

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева. Москва, Россия

ЗОЛЬ-ГЕЛЬ СИНТЕЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА ИТТРИЙ -АЛЮМИНИЕВОГО ГРАНАТА

Method of fabrication ultradispersed yttrium-aluminum garnet powders, using synthe-sized through a sol-gel process was developed. Using x-ray diffraction and electronic microscopy showing that powders consist of easy destrucls aggregates witli a lot of quantity différent size porous.

Разработана методика получения ультрадислерсиого порошка иттрий-алюминиевого граната из нитратов алюминия и иттрия с использованием золь-гель метода. С помощью электронно-микроскопического и реитгеиофазового анализа установлено, что подученный порошок представляет собой рыхлые, легкоразрушаемые агрегаты, с большим количеством пор разнообразной формы и размеров.

Иттрий-алюминиевый гранат Y3AI5O12 (ИАГ) был впервые синтезирован в 1951 г (Х.С. Йодер). Он оптически прозрачен в области 0,24-6,00 мкм, обладает высокой прочностью и твердостью, химически стоек, что делает его перспективным материалом для использования в лазерной технике и ювелирном деле. Наиболее распространенные методы выращивания монокристаллов: зонная плавка, Чохральского и др. ИАГ допускает самые разнообразные изоморфные замещения. Сегодня синтезируется целый ряд твердых растворов на основе ИАГ, свойства которых существенно зависят от химического состава и структурного порядка-беспорядка в распределении атомов по узлам кристаллической решетки. Так при легировании до 1,5 объемных процентов ионов Nd3+ монокристаллический ИАГ: Nd - наиболее эффективная среда с излучением в области около 1 мкм для создания малогабаритных технологических лазеров [1].

В [2] была продемонстрирована возможность создания эффективного твердотельного «керамического» лазера с активным элементом из поликристаллического ИАГ: Nd. С точки зрения функциональных характеристик для использования керамики в лазерной технике существенными являются возможность равномерного распределения вводимых добавок по всему объему образца. Качественная прозрачная керамика обычно получается из веществ, имеющих кубическую кристаллическую структуру, так как в ней можно избежать рассеяния света* в частности, из-за эффекта двойного лучепреломления. В этой связи одним из важнейших направлений является получение порошка ИАГ с частицами нанометрового размера, без чего практически невозможно получение прозрачных поликристаллических материалов. Традиционные методы получения тон ко дисперсных, активных к спеканию порошков (помол в шаровых и вибромельницах) из монокристаллов эти требования не обеспечивают. Необходимо использовать нанопорошки и проводить спекание при достаточно низких температурах, чтобы избежать значительного роста зерен. Поэтому для синтеза высококачественных нанопорошков ИАГ с целью последующего получения керамики, выбрано исследование золь-гель метода.

у в я в

£ 0 в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. №8(101)

В настоящей работе данным методом был синтезирован порошок ИАГ с использованием в качестве исходных компонентов нитратов алюминия и иттрия.

В связи с гетерогенным характером реакций взаимодействия частиц при твердофазном спекании важнейшей величиной, определяющей скорость их роста и локализации примесей, является площадь поверхности взаимодействия между реагентами, увеличение которой достигается в первую очередь путем уменьшения размеров зерен [3]. Данные микрорентгеноспек-трального анализа [4] свидетельствуют, что между У^Оз и А120.! происходит практически односторонняя, очень медленная диффузия алюминия в оксид иттрия и первоначальным продуктом реакции является соединение, богатое оксидом иттрия.

Для того, чтобы уменьшить размер зерен, образуемых из растворов нитратов, компоненты синтезируемого соединения, находящиеся в истинном или коллоидном растворе, распределялись в золе водорастворимого полимера. В данной работе, в качестве водорастворимого полимера был выбран поливиниловый спирт. При этом контакт между исходными соединениями происходит на молекулярном уровне, что увеличивает скорость диффузии алюминия в оксид иттрия и способствует синтезу соединения при более низкой температуре. При переходе в гель, а затем, при удалении воды, -в ксерогель, сохраняется однородность системы, что позволяет контролировать морфологию и фазовый состав материала, регулировать размер частиц и сохранять высокую степень химической чистоты.

Ulli U4!

5'28 ¡о а # ¡е 28

Рис I. Рентгенограммы порошка ИАГ: 1 - После синтеза при 900°С, 2 - после прокаливания при 1300 °С\

Показано [5], что при взаимодействии Y^OiiAbCh ~ 3:5 вплоть до полного завершения реакции остаётся наиболее «активный реагент»- AI2O3: 2 Y;Os + А1303 — YiAljßs (950-1000 °С) Y4Ah09 + А1г03 -* 4УАЮз (1100 °С) 3 YAlOj + AI3O3 Y3AW12 (1250-1400 °С) При температуре 1097 °С наблюдается образование YAlOj которое является метастабшгьным [б] , начиная

с 1297 °С кристалл изуется алюмоит-триевый гранат. Данные РФА (рис 1) показали, что при 900°С сиитезирует-

$ й Ф X и В химии и химической технологии. Том XXIII2009. №8(101)

ся практически рентгеноаморфный порошок ИАГ, что свидетельствует о малом размере образующихся частиц и дефектности кристаллической решетки.

Рис 2. Фотографии отдельных агрегатов, полученных с помощью ПЭМ

В то же время РФА этого же порошка прокаленного при 1300°С свидетельствует о достаточно полном протекании синтеза (довольно узкие пики соответствующие УзА^Ою, других фаз не наблюдается).

Малый размер образующихся частиц подтверждается данными электронной микроскопии. На рис. 2 можно видеть неоднородные частицы размером 0,5 - 1 мкм, (см. рисунок) с большой долей вероятности представляющие собой агрегаты, из-за видимой неоднородности на поверхности их структуры. Представленные изображения свидетельствуют о формировании порошка ИАГ в виде неоднородных пленок. Что может неблагоприятно сказаться на плотности формуемых заготовок при производстве керамики. В пользу этого утверждения свидетельствуют фотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа рис 3.

Рис 3. Микроструктура порошка после синтеза при 900°С.

í ñ @ í V в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. Na 8 (101)

Полученный порошок представляет собой рыхлые, легкоразрушае-мые агрегаты, имеющих вид пленок с большим количеством пор разнообразной формы и размеров. Образование такой структуры порошка связано с газовыделением при разложении, применяемого в качестве коллоидного ге-леобразователя, поливинилового спирта. Такие порошки, очевидно, нуждаются в дальнейшей обработке - дезагрегации в планетарной мельнице или/и ультразвуковом обработке, с целью получения отдельных наночастиц.

Библиографические ссылки

1. Каминский A.A. Лазерные кристаллы. М.: Наука, 1975. 256 с.

2. Fabrication and optical properties of high-performance polycrystaffine Nd:YAG ceramics for solid-state laser. /А. Ikesue [ets.]; // J. Amer. Ceram. Soc., 1995. Vol.78. №4. PP.1033.

3. Quo X., Sakurai K. Formation of yttrium aluminium perovskite and garnet by mechanical solid-state reaction, i Jpn. J. Api. Phys., 2000. V.39. Pt.l. №3. PP. 1230-1234.

4. Взаимодействие оксидов иттрия и алюминия / В.В.Глушкова [и др.]; // Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1983. Т. 19. №1. С.95-99.

5. Условия и макромеханизм твёрдофазяого синтеза алюминатов иггрия / А .Я. Нейман [и др.]: // Ж-л неорганической химии, 1980. Т.25. Х»9. С.2340-2345.

6. Warshaw Г., Roy R. // J. Amer. Ceram. Soc., 1959. - V.42. №9. P.43.

УДК 678.5.06-416:539.21

Ю. Ю, Юрикова, А. А. Серцова, М. Ю. Королева, Е. В. Юртов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва. Россия

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЦИНКА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГОРЮЧЕСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

In present study zinc oxide nanoparticles were. Zinc oxide was obtained by the controlled precipitation in aqueous solutions. For the synthesis on particles in nanometer range and the prevention their aggregation polyethylene glycol PEGI500 or sodium dodecyl sulphate was added in the relation mixture. The structure of nanoparticles was studied by atomic force and scanning electron microscopy. The synthesized zinc oxide nanoparticles were used as additives to polymeric materials to enhance their fire resistance properties.

В данной работе был синтезирован оксид цинка ZnO, размер частиц которого находился в манометровой области. Оксид цинка был получен методом контролируемого осаждения т растворов. Для ограничения роста наночастиц и предотвращения агрегации коллоидных частиц использовались полютиленгликоль ПЭП500 или- доцецилеульфат натрия. Были проведены исследования ианочастиц с помощью атомно-сшювой и растровой электронной микроскопии. Синтезированные наночас-тицы оксида цинка использовались, как добавка к полимерным материалам для повышения их огнестойкости.