YAG微/纳米掺杂颗粒的火焰合成及合成机理研究

In this project, the doped YAG micro/nanoparticles will be investigated by a new flame synthesis method which combined with swirl flame and liquid phase atomization of precursor. The effects of different experimental conditions on particle size, morphology and crystalline of the doped YAG micro/nanoparticles and their correlation with infrared transmission properties will be studied. The principles of the flame synthesized YAG particles in flame field will be revealed through in situ laser diagnostics including laser induced fluorescence (LIF), Raman and phase selective-laser breakdown spectra (PS-LIBS) combined with TEM and XRD. In addition, based on the parameters supported by molecular dynamics model, the evolutionary process of formation of the doped YAG micro/nanoparticles in the flame process, i.e. collisions, coalescence and sintering will be obtained with population balance model together with turbulent flame model. This will support an instructive theoretical foundation for accurate synthesis of the doped YAG micro/nanoparticles. Finally, based on the experimental and theoretical research, the mechanism studies on the doped YAG micro/nanoparticles in the swirl flame will be revealed. Thus, the regulation and optimization of the doped YAG micro/nanoparticles are directed to the flame synthesis, and the basis for the design of high-performance infrared transmission materials is provided.

本项目以YAG微/纳米掺杂颗粒为研究对象，采用旋流火焰与前驱物液相雾化相结合的新型火焰合成方法。研究不同实验的工况对YAG微/纳米掺杂颗粒的粒径大小、形貌和结晶性的影响，及其与红外透过性能的关联。其次，通过激光诱导荧光光谱（LIF）、拉曼光谱和相选择激光击穿光谱（PS-LIBS）以及TEM、XRD相结合的诊断测试方法，揭示火焰场中YAG微/纳米颗粒的掺杂合成规律。另外，基于微观分子动力学提供的模型参数，采用群平衡模型以及湍流火焰模型相结合的方法，研究YAG微/纳米掺杂颗粒在火焰场中的碰撞、聚并烧结的微观过程，为控制火焰场内YAG微/纳米掺杂颗粒的合成提供理论依据。最后，结合实验和理论研究，揭示火焰场中YAG微/纳米颗粒的掺杂合成机理，从而指导火焰合成YAG微/纳米掺杂颗粒的调控和优化，并为设计高性能红外透过材料提供依据。

本项目为研究火焰合成YAG纳米材料提供理论基础，以便更好的通过火焰合成制备YAG粉体，并为其进一步应用于YAG红外窗口的制备奠定基础。.首先，本项目研究了不同工况对YAG颗粒的粒径大小、形貌和结晶性的影响，及其与红外透过性能的关联。结果表明，通过高温雾化火焰合成制备的YAG粉末呈球形，结晶性能受前驱液浓度的严重影响，浓度越大，初始粉体的平均粒径越大；且随着热处理温度的增加，YAG粉体的红外透过率有明显的增加；热处理温度为1400°C，热处理时间为6h的YAG块材，其红外透过率达到82%@7.5μm。.其次，通过在线诊断的研究结果表明，YAG合成分为液滴挥发、溶质析出和颗粒扩散3个阶段，最终形成微米级颗粒。高温火焰场中，YAG的合成路径与前驱物浓度有密切的关系，合成路径为“液相-气相-颗粒”转化，主要分为液滴挥发和溶质析出、溶质升华、气相、颗粒成核生长和颗粒扩散几个阶段。前驱物浓度较低时，成核均匀，粉体中颗粒尺寸较小；前驱物浓度较高时，颗粒尺寸增加且出现团聚现象，并有细小颗粒附着在大颗粒表面。通过控制前驱液中有机溶剂的含量，可以有效降低前驱液在火焰场中的挥发温度，进而成核、生长，形成纳米级粉体。.最后，采用分子动力学计算研究YAG的晶体结构、烧结过程和掺杂过程，研究表明在1073K下XRD计算图像可用于≥3 nm的颗粒相的识别；小于3 nm的粒子，需要用其配位数来识别。粒子在小尺寸下为非晶态的，颗粒尺寸的增大会导致结晶。在气相合成的早期阶段，新生粒子的尺寸通过碰撞聚并过程迅速增大，这可能是一个重要的结晶机制。另外，颗粒尺寸的增大和温度的降低都会引起结晶，且初始相仅为单斜相。从YAG单粒子的恒温平衡过程来看，3nm粒子不能在纳秒级结晶。因此，在烧结完成之前没有结晶。在火焰场中，类似的烧结颗粒也可能碰撞并继续生长，并通过与环境的能量交换冷却，结晶只能在适当的温度下发生。.