Синтез твердого раствора нанопорошков иттрий-алюминиевого граната, допированных оксидами РЗЭ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 663

Ю.О. Никитина*, Н.А. Попова

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

125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 e-mail: [email protected]

СИНТЕЗ ТВЕРДОГО РАСТВОРА НАНОПОРОШКОВ ГРАНАТА, ДОПИРОВАННЫХ ОКСИДАМИ РЗЭ

ИТТРИИ-АЛЮМИНИЕВОГО

В результате работы были получены наноструктурированные порошки твердого раствора ИАГ, допированных композицией оксидов Er3+, Но3+ и Tm3+ для лазерной керамики с размером кристаллитов до 200 нм, изучено влияние концентрации активаторов и температуры термообработки на размер кристаллитов и параметры кубического кристаллического твердого раствора. В процессе получения применялись химический метод получения нанопорошка и высокотемпературный синтез.

Ключевые слова: керамика из ИАГ, получение твердого раствора, влияние концентрации активатора на размер кристаллитов.

Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) это оптический материал пригодный для использования в УФ и ИК оптике. Изделия из YAG можно применять в качестве оптических элементов в широкой области спектра от 250-5000 нм.[1] Благодаря высоким показателям прочности, порога разрушения, показателя преломления, и теплопроводности YAG может быть использован в качестве активной среды в твердотельных лазерах. Для достижения прозрачного состояния и высокого показателя светопропускания используют активаторы, которые образуют твердые растворы замещения с основным оксидом.[2]

Существуют два наиболее распространенных метода изготовления высококачественной легированной редкоземельным ионами прозрачной керамики на основе ИАГ (Re:ИАГ, где Re = Er3+,

Yb , № , Тш и др.). Первый - это получение нанопорошков твердофазным методом и второй -получение высокодисперсных порошков методом химического осаждения из солей.

Целью данной работы является получение

ИАГ,

допированных композицией оксидов Бг3+, Но3+ и

твердого

раствора

нанопорошков

Тш для лазерной керамики. В ходе работы были поставлены следующие задачи: - изучение влияния концентрации композиции ионов Ег3+ и Тш3+ на рост кристаллитов и параметры кубического твердого раствора; - изучение влияния температуры синтеза на рост кристаллитов и параметры кубического твердого раствора.

Активаторы вводились в следующих концентрациях: Ег3+ от 50 ат% до 60 ат%; Тш3+ от 10ат% до 15 ат% а концентрация Но3+ равная 1ат% не изменялась.

Наноструктурированного порошок состава Y3-х(Егх Тшх Нох)А1504(ОН)8 получен методом мокрой химии обратным гетерофазным соосаждением насыщенного раствора нитратных солей иттрия ^(N03)3-8^0), алюминия (А1(Ш3)3-9Н20), эрбия (Ег(Ш3)3-9Н20), тулия (Тш(Ч03)3), гольмия (Но^03)3) в охлажденный раствор осадителя. Горячий насыщенный раствор (Тнас. р-ра = 135 С)

распыляли сжатым воздухом через капилляр (d=1.5 мм) в охлажденный концентрированный раствор аммиака.

Рис. 1. Порошки гидроксидов: а) 50 ат% Er; 10 ат% Tm; 1ат% Ho; б) 60 ат% Er; 15 ат% Tm; 1ат% Ho.

Размер частиц наноструктурированных порошков гидроксидов (рис. 1) составляет 50-60 нм, габитус частиц близкий к шарообразной форме. Полученный порошок термообрабатывали при двух температурах: 1300 С и 1400 С. Все полученные образцы, согласно рентгенофазовому анализу (рис.2) являются однофазными и обладают структурой граната.

ЛЬ .. .X

ГААГОЮ

1-

Ж

_ь1и_д_. .л. .и

Размер частиц наноструктурированных порошков гидроксидов (рис. 1) составляет 50-60 нм, габитус частиц близкий к шарообразной форме. Полученный порошок термообрабатывали при двух температурах: 1300 С и 1400 С. Все полученные образцы, согласно рентгенофазовому анализу (рис.2) являются однофазными и обладают структурой граната.

Порошки с большей концентрацией вводимых ионов (60 ат% Бг; 15 ат% Тт) имеют размер кристаллитов и параметры кубического твердого раствора больше, чем у составов с меньшей концентрацией.(рис.3) Повышение температуры синтеза с 1300 С до 1400 С приводит к увеличению размеров кристаллитов (рис.3), это очевидно связано с большей кристаллизацией кубического твердого раствора. Тенденция к росту у составов с различной концентрацией активаторов практически одинакова и составляет порядка 40%.

' ® ¡и*,'« Ег ' >0 аг%Пг

ПШ)С: 141)01:

Теми ера кфиоойраЗоткк, "С

:= С 11.ЧЧЧ

£ О 11,ЧЧН

о

Т = 11,497

1-; г; Е- = 11,596

ы = £ 11, Ж

а V э

£ а 11,994

Р

11, ЬШ

<л 11,991

£ И.ЧЧ

¿Т-1300 -140и

ШиХи ЬОл% |_[

Концещраииы Ег, ат%

Рис. 3. Графические зависимости а) зависимость размеров кристаллитов от температуры термообработки; б) зависимость параметров кристаллической решетки от концентрации эрбия.

Выводы: Получено раствора

монофазное соединение иттрий-алюминиевого

твердого

граната,

допированного композицией оксидов Бг3+, Но3+ и Тт3+ с размером кристаллитов до 200 нм.

Рис. 2 - рентгенофазовый анализ:

а) 50 ат% Ег; 10 ат% Тт; 1ат% Но с Тсинтеза=1300°С; б) 50 ат% Ег; 10 ат% Тт; 1ат% Но с Тсинтеза=1400°С;

в) 60 ат% Ег; 15 ат% Тт; 1ат% Но с Тсинтеза=1300°С; г) 60

ат% Ег; 15 ат% Тт; 1ат% Но с Тс|

а=1400 С.

Никитина Юлия Олеговна студентка 1 курса магистратуры факультета Технология неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Попова Нелля Александровна к.т.н.,с.н.с. кафедры химической технологии керамики керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1.Jing Liua,b, Xiaonong Chenga, Jiang Lib, Tengfei Xieb, Maxim Ivanovo, Xuewei Bab, Haohong Chenb, Qiang Liua, Yubai Panb, Jingkun Guob Influence of non-stoichiometry on solid-state reactive sintering of YAG transparent ceramics. 2015.

2.Вовк Е.А., Дейнека Т.Г., Дорошенко А.Г. Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y3Al5O12. Статья/Сверхтвердые материалы. 2009. №4. 12-16 с.

Nikitina Yulya Olegovna*, Popova Nelly Alexandrovna

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]

THE SYNTHESIS OF SOLID SOLUTION NANOSTRUCTURED POWDERS YAG DOPED REE OXIDES

Abstract

As a result of work the nanostructured powders of the YAG firm solution have been received, the doped composition of Er3+, No3 + and Tm3 + oxides for laser ceramics with a size of crystallites up to 200 nanometers. The influence of concentration of activators and temperature of heat treatment have been on the size of crystallites and parameters of cubic crystal solid solution. In the course of receiving a chemical method of receiving nanopowder and high-temperature synthesis were applied.

Keywords: sold solution nanostructured powders of the YAG doped of Er3+, No3 + and Tm3 + oxides; influence of concentration of the activator on the size of crystallites.