熔盐介质中Y2O3与Al2O3的反应机理研究

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熔盐法是目前合成无机粉体材料的重要方法之一,具有操作简便、合成温度低、产物形貌可控、分散性好等优点,逐渐成为粉体合成的研究热点。YAG (Y3Al5O12)粉体作为无机粉末材料的重要组成部分,广泛应用于激光晶体、发光材料等领域。目前,使用熔盐法合成YAG粉体具有显著优势和广泛的应用前景,但对合成机理的研究却有待深入。本文制备出纳米Y203,并以自制纳米Y203和微米级A1203为原料,研究了Y203和A1203在熔盐中的反应和物相变化过程,讨论了熔盐法的反应机制,并分析了YAG颗粒形貌的演变过程。本文采用化学沉淀法制备出纳米Y203颗粒,研究了碳酸氢铵用量、分散剂种类及用量、清洗方式等参数对纳米Y203形貌和尺寸的影响。研究发现:降低碳铵用量可以减小产物的粒径;分散剂种类不同,产物的尺寸和形貌差异大,其中PEG作为分散剂可制备分散性好、粒径小的纳米Y203颗粒;PEG用量不同产物粒径不同;清洗方式对产物的形貌和尺寸影响显著,乙醇清洗的引入可以提高Y203的分散性,获得较小粒径的颗粒。通过调节各参数,可获得尺寸50nm左右的球形纳米Y203颗粒。本文以自制纳米Y203和微米级α-Al2O3为原料,研究了这两种氧化物原料在熔盐中的反应过程。研究发现,熔盐的存在增加了反应物颗粒的活动性,纳米Y203颗粒在熔盐中运动并粘附在A1203颗粒表面,形成A12O3@纳米Y203包裹体,并在接触界面开始反应。本文认为,在反应过程中,熔盐的作用是提供了一个液相反应环境,促进了氧化物原料颗粒的运动,并使得反应原料的分布更均匀,大大缩短了扩散时间。此颗粒运动-粘附现象与现有熔盐反应理论中的溶解-沉淀机制和溶解-扩散机制均不相同。本文研究了不同温度下Y203和A1203在熔盐中的反应过程,分析了YAG合成时的物相变化和产物形貌变化。研究发现,在熔盐中,900℃~1100℃之间的主要中间相为YAM(Y4Al2O9)相:1200℃时,YAP (YAIO3)相开始生成,1300℃~1400℃时YAG相大量出现,并在1400℃时合成YAG单相。热处理工艺不同时,产物的物相变化略有不同,900℃保温形成的包裹体结构有利于后期的物质扩散,缩短了反应时间。
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