Способ получения высокостехиометричных наноразмерных материалов на основе иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов


C04B35/62625 - Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом (пористые изделия C04B 38/00; изделия, характеризуемые особой формой, см. в соответствующих классах, например облицовка для разливочных и плавильных ковшей, чаш и т.п. B22D 41/02); керамические составы (содержащие свободный металл, связанный с карбидами, алмазом, оксидами, боридами, нитридами, силицидами, например керметы или другие соединения металлов, например оксинитриды или сульфиды, кроме макроскопических армирующих агентов C22C); обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий (химические способы производства порошков неорганических соединений C01)

Владельцы патента RU 2689721:

Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ (RU)

Изобретение относится к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, содержащих редкоземельные элементы, которые могут быть применены в технологии синтеза оптических керамических материалов лазерного качества при создании активных тел твердотельных лазеров различной геометрии. Исходный раствор хлоридов требуемых катионов (иттрия, алюминия и редкоземельных металлов) получают путем растворения металлического алюминия А-995 с содержанием основного вещества 99,995%, оксидов иттрия и РЗЭ в концентрированной соляной кислоте, раствор упаривают и распыляют в водный раствор аммиака 25% концентрации. Полученный осадок декантируют в деионизированной воде до рН=7. Влажный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. В результате прокаливания при 1750°С такого прекурсора получают 100%-ный целевой продукт: кубический алюмоиттриевый гранат или гранат, легированный катионами РЗЭ, не содержащий посторонних фаз, которые значительно ухудшают все основные характеристики: прозрачность, показатель преломления, область пропускания, лазерная генерация.

 

Настоящее изобретение относится к способу получения прозрачного керамического материала на основе иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) с добавками ионов редкоземельных элементов (РЗЭ) для создания генерации прозрачного керамического материала, принадлежащего к области лазерной техники.

Изобретение относится к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, содержащих редкоземельные элементы, которые могут быть применены в технологии синтеза оптических керамических материалов лазерного качества при создании активных тел твердотельных лазеров различной геометрии. Способ осуществляют методом осаждения введением исходных соединений алюминия, иттрия и легирующих элементов в осадитель с последующим выделением осажденного продукта и прокалкой полученного порошкообразного продукта при 1200°С, при этом осаждение проводят с помощью основного осадителя, и в качестве основного осадителя используют водный раствор аммиака, а затем при перемешивании вводят смесевой водный раствор хлористых солей алюминия, иттрия и легирующих элементов в количестве, соответствующем молярному соотношению катионов металлов согласно общей формуле (Y1-xPЗЭx)3Al5O12, после чего полученную реакционную смесь перемешивают со скоростью 300-500 об/мин. Выделенный осажденный продукт сначала промывают водой до рН=7-7,5.

Высокостехиометричные 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 лигандов 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-Tm2O-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.

При введении в состав иттрий-алюминиевого граната оксидов редкоземельных элементов (ОРЗЭ) или их композиций имеет место образование твердых растворов замещения только катионов иттрия на катионы РЗЭ. Поэтому расчеты составов проводятся исходя из формулы твердого раствора Y3-XMeXAI5O12, где х - доля катиона ОРЗЭ или сумма долей катионов ОРЗЭ, вводимых в состав иттрий - алюминиевого граната и замещаемых катионов иттрия.

Из уровня техники известен способ (Патент США US 5,484,750 (А) Transparent polycrystalline garnets Заявитель: GEN ELECTRIC [US] МПК: C09K 11/00; C09K 11/77; C09K 11/80; G01T 1/20; G01T 1/202. Дата публикации: 16.01.1996) получения прозрачного поликристаллического твердотельного сцинтилляционного материала со структурой ИАГ, легированного ионами редкоземельных элементов, включающий растворение исходных катионов солей, упаривание до концентрированного состояния, совместное обратное соосаждение через распыление, с последующим фильтрованием осадка прекурссора, декантированием, сушкой, и термообработкой, причем способ включает следующие стадии, на которых:

- маточный раствор катионов солей заданного состава формируют путем растворения хлоридов иттрия, алюминия и редкоземельных металлов в концентрированной соляной кислоте при нагревании, затем упаривают и распыляют в основной раствор оксалата аммония, осадок декантируют в деионизированной воде и/или спирте для удаления избытка гидроксила аммония и/или углекислого аммония и продуктов реакции, осадок сушат при температуре около 110°С методом вакуумной сушки и прокаливают на воздухе при температуре 750°С;

- после термического разложения порошок измельчают в струйной мельнице или на планетарной мельнице с использованием диоксида циркония в качестве мелющей оснастки в среде изопропилового спирта, затем сушат и получают гранулы;

- после гранулирования порошок формуют изостатическим прессованием с получением образцов с относительной плотностью 55%;

- полученные образцы подвергают вакуумному спеканию при температуре 1400-1600°С;

- после вакуумного спекания образцы подвергают горячему изостатическому прессованию при температуре 1350-1600°С; после чего керамические образцы механически шлифуют и полируют.

Недостатком данного способа является образование оксалатов иттрия и редкоземельных элементов, что ведет к многофазности целевого продукта, к светорассеянию и, как следствие, к уменьшению способности материала к спеканию. Кроме того, использование хлоридов иттрия, алюминия и редкоземельных металлов, а это, как правило, гидратированные соли, для растворения хлоридов иттрия, алюминия и редкоземельных металлов в концентрированной соляной кислоте при нагревании ведет к не стехиометричности получаемых материалов и последующим корректировкам соотношения исходных хлоридов с целью получения стехиометричных составов, хотя бы в первом приближении.

Изобретение (Способ получения мелкокристаллического нелегированного и легированного иттрий-алюминиевого граната, Заявка РФ RU 2137867 С1, МПК: С30В 7/10, С30В 29/28, C01F 7/02, C01F 17/00, Дата приоритета: 22.04.1998) относится к синтезу неорганических материалов и используется для получения шихты для выращивания монокристаллов ИАГ, применяемых в качестве активных сред в твердотельных лазерах, а также при изготовлении высокотемпературной керамики. Сущность изобретения: 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-СЗ), при 270-360°С и PH2O=56-190 атм. Легированный ИАГ получают путем введения в исходную смесь оксидов добавок неодим- или хромсодержащих компонентов. Изобретение позволяет повысить выход данного продукта. Экологичность способа синтеза и чистота получаемых кристаллов обусловлены одностадийностью процесса и герметичностью автоклава.

Недостатком описываемого изобретения 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, что ведет к появлению «серого» фильтра. Проведение процесса при 270-360°С способствует сильной агломерации получаемого продукта. Совокупность этих недостатков ведет к разбалансировке целевых составов и многофазности алюмоиттриевого граната. Кроме того, применение автоклава в данном процессе является взрывоопасным.

Известен способ получения мелкокристаллического нелегированного и легированного иттрий-алюминиевого граната (Заявка на изобретение JP 2001270775, кл. МПК С04В 35/44, опубл. 02.10.2001), путем гидротермальной обработки стехиометрической смеси оксидов иттрия и алюминия 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, что ведет к появлению «серого» фильтра. Проведение процесса при 270-360°С способствует к сильной агломерации получаемого продукта. Совокупность этих недостатков ведет к разбалансировке целевых составов и многофазности АИГ. Кроме того, применение автоклава в данном процессе является взрывоопасным.

Известны (Д.О. Лемешев и др., Перспектива создания новых оптически прозрачных материалов на основе оксида иттрия и иттрий-алюминиевого граната, журнал «Стекло и керамика», 2008, №4, стр. 25-27) различные способы получения прозрачных керамических материалов на основе иттрий-алюминиевого граната, например, золь-гель технология, термическое разложение солей, твердофазный синтез, гидротермальный синтез, вымораживание, соосаждение, горение.

В цитируемой статье не приводятся конкретные технические решения, а описана перспектива создания новых оптически прозрачных материалов на основе оксида иттрия и иттрий-алюминиевого граната. Вопросы стехиометричности целевых продуктов вообще не рассматриваются.

Описаны (Заявка США US 2009/081100 (A1) Translucent material and manufacturing method of the same Заявитель: FUJIFILM CORP [JP] МПК: C01F 17/00; C04B 35/44; C04B 35/64; H01S 3/16. Дата публикации: 26.03.2009, заявка на изобретение CN 101386531, кл. МПК С04В 35/622, С04В 35/50, С04В 35/44, опубл. 18.03.2009) способы получения иттрий-алюминиевого граната и прозрачного поликристаллического твердотельного сцинтилляционного материала со структурой ИАГ, легированного ионами редкоземельных элементов, при которых маточный раствор катионов солей заданного состава формируют путем растворения хлоридов или сульфатов требуемых катионов (иттрия, алюминия и редкоземельных металлов) в воде при нагревании, затем упаривают и распыляют в водный раствор аммиака, осадок декантируют в деионизированной воде, выливают суспензию в контейнер, дают сформироваться формованному телу путем медленного осаждения, полученное тело затем подвергают спеканию при 1750°С.

Недостатком данного способа является использование хлоридов или сульфатов иттрия, алюминия и редкоземельных металлов, а это, как правило, гидратированные соли, и растворение хлоридов иттрия, алюминия и редкоземельных металлов в воде при нагревании ведет к не стехиометричности получаемых материалов и последующим корректировкам соотношения исходных хлоридов или сульфатов с целью получения стехиометричных тел, соответствующих формульному составу алюмоиттриевого граната.

Известен способ получения прозрачного керамического материала (Патент РФ на изобретение RU 2473514, кл. МПК С04В 35/505, С04В 35/622, С30В 29/28), включающий смешивание предварительно полученной матрицы с предварительно полученным наполнителем, формование смеси и термообработку.

Недостатком данного изобретения является использование матрицы, выполненной в виде твердого раствора оксида скандия в оксиде иттрия и наполнитель, выполненный в виде твердого раствора оксида скандия в иттрий-алюминиевом гранате. Кроме того, данный способ предполагает многостадийность процесса, использование в качестве исходных реагентов соответствующих оксидов, что ведет к неполному протеканию твердофазных реакций и нестехиометричности целевого продукта.

Известен способ получения прозрачного керамического материала на основе оксида иттрия, легированного трехвалентными металлами, с добавками иттрий-алюминиевого граната (Заявка РФ на изобретение RU 2009115895, кл. МПК С30В 29/00, опубл. 10.11.2010), заключающийся в том, что исходный материал получают методом обратного гетерофазного осаждения, при этом для получения иттрий-алюминиевого граната используют смесь гидрооксидов иттрия и алюминия, которую измельчают и затем вводят соль скандия, после чего проводят термическое разложение и измельчают, получая второй компонент, первый и второй компоненты смешивают, полученную смесь подвергают нагреванию, затем формуют заготовки методом полусухого прессования, после чего их подвергают нагреванию для удаления технологической связки, и помещают в вакуумную печь, после чего прозрачный керамический материал шлифуют и полируют.

Недостатком известного способа является использование для обратного гетерофазного осаждения растворов хлоридов или сульфатов иттрия и алюминия, которые также не обеспечивают стехиометричности иттрий-алюминиевого граната.

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 введением 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 известного способа является использование для осаждения растворов азотнокислых солей алюминия, иттрия и легирующих элементов, которые также не обеспечивают стехиометричности иттрий-алюминиевого граната. Кроме того, использование фторсодержащей добавки ведет к появлению второй фазы в виде фторидов иттрия и редкоземельных элементов.

Описывается способ получения керамического прекурсора для синтеза лейкосапфира (Патент РФ RU 2622133 от 13.06.2017). Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к способу получения прекурсора для синтеза лейкосапфира. Предложенный способ заключается в том, что смесь гидраргиллита с 1÷15 масс. % электрокорунда с размером зерна от 10 до 50 мкм заливают 0,5÷2 масс. % водного раствора соляной кислоты и размешивают до образования композиции из однородной дисперсной фазы, композицию помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную обработку при температуре 180÷220°С в течение 4÷26 часов, полученную смесь образовавшегося и электрокорунда сначала греют в муфельной печи на воздухе при температуре не выше 1200°С до полного удаления влаги, далее переносят в вакуумную печь, нагревают и выдерживают при температуре от 1700 до 1800°С в течение 1÷2 часов, полученную керамику затем охлаждают до образования прекурсора. Изобретение позволяет получать керамический прекурсор с плотностью не менее 3,2 г/см3, позволяющий в дальнейшем синтезировать качественный лейкосапфир с содержанием минеральных примесей не более 0,001 масс. %.

Недостаток данного способа получения керамического прекурсора для синтеза лейкосапфира заключается в использовании гидраргиллита с 1÷15 масс. % электрокорунда, что заранее ведет к нарушению стехиометричности не только прекурсора, но и конечного лейкосапфира.

Известен также 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.

Использование в качестве осадителя сильноосновного гелевого анионита АВ-17-8 в гидроксидной форме не исключает добавление в реакционную среду водных растворов солей иттрия и алюминия, а предварительное приготовление исходных растворов влечет за собой нарушение соотношения иттрий : алюминий, равное 3:5. Это является серьезным недостатком предложенного способа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ получения прозрачного поликристаллического твердотельного сцинтилляционного материала со структурой ИАГ (иттрий-алюминиевого граната), легированного ионами редкоземельных элементов (Заявка США US 2009/081100 (A1) Translucent material and manufacturing method of the same. Заявитель: FUJIFILM CORP [JP] МПК: C01F 17/00; C04B 35/44; C04B 35/64; H01S 3/16. Дата публикации: 26.03.2009), при котором маточный раствор катионов солей заданного состава формируют путем растворения хлоридов или сульфатов требуемых катионов (иттрия, алюминия и редкоземельных металлов) в воде при нагревании, затем упаривают и распыляют в водный раствор аммиака, осадок декантируют в деионизированной воде, выливают суспензию в контейнер, дают сформироваться формованному телу путем медленного осаждения, полученное тело затем подвергают спеканию при 1750°С.

Недостатком известного способа является то, что в процессе приготовления маточного раствора катионов солей заданного состава путем растворения хлоридов или сульфатов требуемых катионов (иттрия, алюминия и редкоземельных металлов) в воде при нагревании используются соответствующие водорастворимые соли, которые содержат переменное количество гидратной воды. Это гексагидрат хлорида алюминия AlCl3⋅6H2O или восемнадцати водный сульфат алюминия Al2(SO4)3⋅18H2O, или нонагидрат нитрата алюминия Al(NO3)3⋅9H2O, гексагидраты хлоридов, нитратов, сульфатов иттрия и РЗЭ. Подобные соединения никогда не имеют точной стехиометрии, что создает значительные трудности в получении растворов точной концентрации, обеспечивающих стехиометрию и монофазность конечных соединений. Для получения точных данных по содержанию катионов необходимо привлекать аналитические методы или массовый анализ после прокаливания соответствующих солей, с целью перевода их в соответствующие оксиды. Это ведет к усложнению и удорожанию процессов синтеза и не всегда приводит к положительному результату. Без проведения указанных дополнительных операций целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат) содержит другие фазы такие как YAlO3, Y2O3, Y4Al2O9 и переменное содержание активаторов, резко ухудшающих все основные характеристики: прозрачность, показатель преломления, область пропускания, лазерная генерация.

С целью устранения указанных недостатков предлагается способ получения высокостехиометричного наноразмерного прекурсора для синтеза твердых растворов иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов, заключающийся в том, что исходный материал получают методом обратного гетерофазного осаждения путем растворения металлического алюминия А-995 (алюминий высокой чистоты, содержание основного вещества 99,995, ГОСТ 11069-2001) и оксидов требуемых катионов заданного содержания (иттрия и редкоземельных металлов) в хлороводородной кислоте 36% концентрации при нагревании, затем образовавшийся прозрачный раствор точной концентрации упаривают и распыляют в водный раствор аммиака. Осадок декантируют в деионизированной воде до рН=7. Образовавшийся прекурсор отжимают на воронке Бюхнера и промывают на воронке Бюхнера 2-3 раза деионизованной водой. 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. При этом в системе протекают следующие процессы:

1) 10Al+30HCl=10AlCl3+15Н2

2) 10AlCl3+30NH4OH=10Al(OH)3+30NH4Cl

3) 3Y2O3+18HCl=6YCl3+9H2O

4) 6YCl3+18NH4OH=6Y(OH)3+18NH4Cl

Полученный прекурсор затем подвергают спеканию при 1750°С:

10Al(OH)3+6Y(OH)3=2Y3Al5O12+24H2O

Или в суммарном виде:

10Al+3Y2O3+48HCl+48NH4OH=2Y3Al5O12+48NH4Cl+33H2O+15H2 или

5Al+1,5Y2O3+24HCl+24NH4OH=Y3Al5O12+24NH4Cl+16,5H2O+7,5H2

В результате спекания при 1750°С такого прекурсора целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат) содержит только одну фазу Y3Al5O12 или твердый раствор (Y1-XMeX)3AI5O12, где х - доля катиона ОРЗЭ или сумму долей катионов ОРЗЭ, вводимых в состав иттрий-алюминиевого граната и замещаемых катионов иттрия в зависимости от задач синтеза.

Предлагаемый способ отличается от известного использованием при приготовлении маточного раствора катионов солей заданного состава металлического алюминия А-995 (алюминий высокой чистоты, содержание основного вещества 99,995, ГОСТ 11069-2001) и оксидов иттрия и РЗЭ, растворенных в концентрированной соляной (хлороводородной) кислоте. Образовавшийся раствор, точно заданной концентрации, упаривают и распыляют в водный раствор аммиака. Осадок декантируют в деионизированной воде до рН=7. Образовавшийся прекурсор отжимают на воронке Бюхнера и промывают на воронке Бюхнера 2-3 раза деионизованной водой. 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, затем подвергают спеканию при 1750°С, что в целом обуславливает решение поставленной цели изобретения.

Заявляемый способ поясняется примерами конкретного исполнения.

Пример 1. Чистый алюмоиттриевый гранат, без легирующих добавок. Готовят маточный раствор катионов солей заданного состава, исходя из формулы Y3Al5O12. Расчет проводят для получения 100 г готового продукта. Для этого берут навеску металлического алюминия А-995 (алюминий высокой чистоты, содержание основного вещества 99,995, ГОСТ 11069-2001) массой 22,742 г и растворяют в 270 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: 2Al+6HCl=2AlCl3+3Н2. Затем берут навеску оксида иттрия массой 57,05 г и растворяют в 160 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Y2O3+6HCl=2YCl3+3H2O. Образовавшиеся растворы хлоридов соединяют вместе, затем упаривают и распыляют в водный раствор аммиака, осадок декантируют в деионизированной воде. Полученный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. В результате прокаливания при 1750°С такого осадка целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат) содержит 100 масс. %, другие фазы не обнаруживаются.

Пример 2. Алюмоиттриевый гранат, содержащий 5 ат. % иттербия. Готовят маточный раствор катионов солей заданного состава, исходя из формулы Y2,85Yb0,15Al5O12. Расчет проводят для получения 100 г готового продукта. Для этого берут навеску металлического алюминия А-995 (алюминий высокой чистоты, содержание основного вещества 99,995, ГОСТ 11069-2001) массой 22,265 г и растворяют в 270 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: 2Al+6HCl=2AlCl3+3H2. Затем берут навеску оксида иттрия массой 53,06 г и растворяют в 150 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Y2O3+6HCl=2YCl3+3H2O и навеску оксида иттербия массой 4,873 г растворяют в 16,0 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Yb2O3+6HCl=2YbCl3+3H2O. Образовавшиеся растворы хлоридов соединяют вместе, затем упаривают и распыляют в водный раствор аммиака, осадок декантируют в деионизированной воде. Полученный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. В результате прокаливания при 1750°С такого осадка целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат, активированный иттербием, Y2,85Yb0,15Al5O12) содержит 100 масс. %, другие фазы не обнаруживаются.

Пример 3. Алюмоиттриевый гранат, содержащий 10 ат. % иттербия. Готовят маточный раствор катионов солей заданного состава, исходя из формулы Y2,70Yb0,30Al5O12. Расчет проводят для получения 100 г готового продукта. Для этого берут навеску металлического алюминия А-995 (алюминий высокой чистоты, содержание основного вещества 99,995, ГОСТ 11069-2001) массой 21,799 г и растворяют в 270 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: 2Al+6HCl=2AlCl3+3Н2. Затем берут навеску оксида иттрия массой 49,26 г и растворяют в 155 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Y2O3+6HCl=2YCl3+3H2O и навеску оксида иттербия массой 9,535 г растворяют в 32,0 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Yb2O3+6HCl=2YbCl3+3H2O. Образовавшиеся растворы хлоридов соединяют вместе, затем упаривают и распыляют в водный раствор аммиака, осадок декантируют в деионизированной воде. Полученный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. В результате прокаливания при 1750°С такого осадка целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат, активированный иттербием), Y2,70Yb0,30Al5O12 содержит 100 масс. %, другие фазы не обнаруживаются.

Пример 4. Алюмоиттриевый гранат, содержащий 20 ат. % иттербия. Готовят маточный раствор катионов солей заданного состава, исходя из формулы Y2,40Yb0,60Al5O12. Расчет проводят для получения 100 г готового продукта. Для этого берут навеску металлического алюминия А-995 (алюминий высокой чистоты, содержание основного вещества 99,995, ГОСТ 11069-2001) массой 20,945 г и растворяют в 265 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: 2Al+6HCl=2AlCl3+3Н2. Затем берут навеску оксида иттрия массой 42,07 г и растворяют в 150 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Y2O3+6HCl=2YCl3+3H2O и навеску оксида иттербия массой 18,352 г растворяют в 64,0 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Yb2O3+6HCl=2YbCl3+3Н2О. Образовавшиеся растворы хлоридов соединяют вместе, затем упаривают и распыляют в водный раствор аммиака, осадок декантируют в деионизированной воде. Полученный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. В результате прокаливания при 1750°С такого осадка целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат, активированный иттербием), Y2,40Yb0,60Al5O12 содержит 100 масс. %, другие фазы не обнаруживаются.

Пример 5. Алюмоиттриевый гранат, содержащий 50 ат. % эрбия. Готовят маточный раствор катионов солей заданного состава, исходя из формулы Y1,50Er1,50Al5O12. Расчет проводят для получения 100 г готового продукта. Для этого берут навеску металлического алюминия А-995 (алюминий высокой чистоты, содержание основного вещества 99,995, ГОСТ 11069-2001) массой 21,109 г и растворяют в 260 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: 2Al+6HCl=2AlCl3+3Н2. Затем берут навеску оксида иттрия массой 26,50 г и растворяют в 75 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Y2O3+6HCl=2YCl3+3H2O и навеску оксида эрбия массой 44,88 г растворяют в 150,0 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Er2O3+6HCl=2ErCl3+3Н2О. Образовавшиеся растворы хлоридов соединяют вместе, затем упаривают и распыляют в водный раствор аммиака, осадок декантируют в деионизированной воде. Полученный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. В результате прокаливания при 1750°С такого осадка целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат, активированный эрбием), Y1,50Er1,50Al5O12 содержит 100 масс. %, другие фазы не обнаруживаются.

Пример 6. Алюмоиттриевый гранат, содержащий 10 ат. % неодима. Готовят маточный раствор катионов солей заданного состава, исходя из формулы Y2,70Nd0,30Al5O12. Расчет проводят для получения 100 г готового продукта. Для этого берут навеску металлического алюминия А999 массой 22,10 г и растворяют в 265 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: 2Al+6HCl=2AlCl3+3Н2. Затем берут навеску оксида иттрия массой 49,95 г и растворяют в 150 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Y2O3+6HCl=2YCl3+3H2O и навеску оксида иттербия массой 8,26 г растворяют в 60,0 мл концентрированной соляной кислоты по уравнению: Nd2O3+6HCl=2NdCl3+3H2O. Образовавшиеся растворы хлоридов соединяют вместе, затем упаривают и распыляют в водный раствор аммиака, осадок декантируют в деионизированной воде. Полученный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. В результате прокаливания при 1750°С такого осадка целевой продукт (кубический алюмоиттриевый гранат, активированный неодимом), Y2,70Nd0,30Al5O12 содержит 100 масс. %, другие фазы не обнаруживаются.

Таким образом, заявленный способ получения высокостехиометричных наноразмерных порошков прекурсора является достаточно простым, в результате его использования не происходит ошибок в предварительных определениях содержания катионов и итоговых расчетах, приводящих к появлению других примесных фаз, которые резко ухудшают все основные характеристики: прозрачность, показатель преломления, область пропускания, лазерная генерация.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного способа получения высокостехиометричных наноразмерных порошков прекурсора не известна из уровня техники и значит, 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 высокостехиометричных наноразмерных порошков прекурсора на основе иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов, и способ может быть использован в химической промышленности и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».

Способ получения высокостехиометричных наноразмерных материалов на основе иттрий-алюминиевого граната с оксидами редкоземельных элементов, включающий растворение маточного раствора солей, упаривание до концентрированного состояния, распыление в водный раствор аммиака, декантацию в деионизированной воде, фильтрование, последующую сушку, измельчение и спекание при 1750°С, отличающийся тем, что при приготовлении маточного раствора катионов солей заданного состава используют металлический алюминий А-995 (алюминий высокой чистоты, содержание основного вещества 99,995, ГОСТ 11069-2001) и оксиды иттрия и редкоземельных элементов, растворенные в 36% концентрированной соляной кислоте, полученный раствор хлоридов катионов иттрия, алюминия и редкоземельных металлов упаривают до концентрированного состояния и распыляют в водный раствора аммиака 25% концентрации, полученный осадок декантируют в деионизированной воде до рН=7, влажный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С в течение не менее 8 часов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и карбида кремния и изделий из них теплозащитного, конструкционного назначений для использования в области космической техники и металлургии.

Группа изобретений относится к изготовлению изделий из мультиперфорированных композиционных материалов, то есть изделий, сформированных из волокнистого усилителя, уплотненного матрицей и в которых было реализовано множество перфорационнных отверстий.

Изобретение относится к технологии получения композиционной нанокерамики с высокими показателями микротвердости и прочности на изгиб, которая может найти широкое применение в различных областях современной техники.

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к способам получения новых прозрачных консолидированных функциональных материалов (керамик) с высокими механическими характеристиками для фотоники и лазерной техники.

Изобретение относится к производству многофазных керамических композитных материалов на основе диоксида циркония для использования в биомедицинском секторе, в качестве механических компонентов, режущих инструментов и т.д.

Изобретение относится к биокерамической детали, которая может быть сформирована в виде протеза коленного, тазобедренного, плечевого сустава или в виде протеза сустава пальца руки.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться для синтеза активной среды при создании мощных лазеров, генерирующих в среднем ИК-диапазоне длин волн.

Предлагаемое изобретение относится к классу композиционных материалов на основе углерода теплозащитного, конструкционного, химостойкого назначений, подлежащих эксплуатации в условиях статических и динамических нагрузок при нагреве до 2000°С в окислительной среде (авиакосмическая техника, высокотемпературное электротермическое оборудование, комплектация атомных реакторов и т.п.), а также к способам их получения.

Изобретение относится к керамической технологии и порошковой металлургии и предназначено для получения высокодисперсных гетерофазных порошковых композиций, которые могут быть использованы для производства керамических бронеэлементов, материалов, работающих в условиях абразивного износа, изделий, применяемых в машиностроении, в энергетических и химических технологиях, в аэрокосмической технике.

Изобретение относится к получению газоплотного твердооксидного трубчатого электролита с ионной проводимостью, который может быть использован при изготовлении различных электрохимических устройств, например твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), электролизеров и т.п.

Изобретение относится к технологии получения композиционной нанокерамики с высокими показателями микротвердости и прочности на изгиб, которая может найти широкое применение в различных областях современной техники.

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к способам получения новых прозрачных консолидированных функциональных материалов (керамик) с высокими механическими характеристиками для фотоники и лазерной техники.

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к способам получения новых прозрачных консолидированных функциональных материалов (керамик) с высокими механическими характеристиками для фотоники и лазерной техники.

Изобретение относится к производству многофазных керамических композитных материалов на основе диоксида циркония для использования в биомедицинском секторе, в качестве механических компонентов, режущих инструментов и т.д.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться для синтеза активной среды при создании мощных лазеров, генерирующих в среднем ИК-диапазоне длин волн.

Изобретение относится к керамической технологии и порошковой металлургии и предназначено для получения высокодисперсных гетерофазных порошковых композиций, которые могут быть использованы для производства керамических бронеэлементов, материалов, работающих в условиях абразивного износа, изделий, применяемых в машиностроении, в энергетических и химических технологиях, в аэрокосмической технике.

Изобретение относится к керамической технологии и порошковой металлургии и предназначено для получения высокодисперсных гетерофазных порошковых композиций, которые могут быть использованы для производства керамических бронеэлементов, материалов, работающих в условиях абразивного износа, изделий, применяемых в машиностроении, в энергетических и химических технологиях, в аэрокосмической технике.

Изобретение относится к получению газоплотного твердооксидного трубчатого электролита с ионной проводимостью, который может быть использован при изготовлении различных электрохимических устройств, например твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), электролизеров и т.п.
Изобретение относится к составу шихты, предназначенной для получения пьезоэлектрических керамических материалов (ПЭКМ) различного назначения на основе ниобатов калия-натрия.
Изобретение относится к технологии пьезоэлектрической керамики с низкими температурами синтеза и спекания, обладающей высокими значениями пьезоэлектрических параметров, и может быть использовано при изготовлении керамики на основе ниобата-цирконата-титаната свинца для ультразвуковых устройств, различных пьезодатчиков.
Изобретение относится к способу изготовления герметичных изделий. Способ включает изготовление внутренней оболочки из композиционного материала (КМ), формирование на ней герметичного покрытия, изготовление поверх покрытия наружной оболочки из КМ на основе того же типа армирующих волокон, что и КМ внутренней оболочки, при этом используют высокомодульные высокопрочные углеродные волокна.

Изобретение относится к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, содержащих редкоземельные элементы, которые могут быть применены в технологии синтеза оптических керамических материалов лазерного качества при создании активных тел твердотельных лазеров различной геометрии. Исходный раствор хлоридов требуемых катионов получают путем растворения металлического алюминия А-995 с содержанием основного вещества 99,995, оксидов иттрия и РЗЭ в концентрированной соляной кислоте, раствор упаривают и распыляют в водный раствор аммиака 25 концентрации. Полученный осадок декантируют в деионизированной воде до рН7. Влажный осадок высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60-80°С. В результате прокаливания при 1750°С такого прекурсора получают 100-ный целевой продукт: кубический алюмоиттриевый гранат или гранат, легированный катионами РЗЭ, не содержащий посторонних фаз, которые значительно ухудшают все основные характеристики: прозрачность, показатель преломления, область пропускания, лазерная генерация.

Наверх