專利名稱：一種納米功能陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米功能陶瓷材料，尤其涉及一種具有ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的納米功能陶瓷材料，同時(shí)涉及一種用于制備該種納米功能陶瓷材料的方法。二
背景技術(shù)：
由于優(yōu)越的鐵電、壓電、電機(jī)械以及非線性光學(xué)性質(zhì)等，堿金屬鈮酸鹽吸引了當(dāng)今科學(xué)界極大的興趣。其中，鉭酸鉀(KTaO3)、鈮酸鉀(KNbO3)和鈮鉭酸鉀(KTai_xNbx03) (KT-KN-KTN) 這一家族的材料具有優(yōu)良的鐵電及壓電性能，另外研究中發(fā)現(xiàn)其具有電光效應(yīng)、光折變效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，使得這種材料在電光調(diào)制、紅外探測(cè)、光通訊和光存貯等方面顯示的廣泛的應(yīng)用前景。例如KNbO3材料具有優(yōu)越的非線性光學(xué)性能可以用于發(fā)射藍(lán)色激光；KTaO3作為一種優(yōu)良的光催化劑廣泛用于水的分解；而KTN固溶體則因其良好的光折變效應(yīng)以及電光效應(yīng)廣泛用于波導(dǎo)應(yīng)用。KT-KN-KTN粉體的合成主要有固相合成法(SSR)、溶膠凝膠法(Sol-Gel)、水熱法(Hydrothermal Synthesis)等方法。固相合成法是一種傳統(tǒng)的粉體合成方法，將原料混合經(jīng)高溫(ΙΟΟΟ 以上)固相反應(yīng)后粉碎而得到粉體；而溶膠凝膠法則是用堿金屬前驅(qū)物和有機(jī)化合物反應(yīng)而得到堿金屬鈮鉭酸鹽材料。水熱法制備的超細(xì)粉體具有高純、 超細(xì)、流動(dòng)性好、粒徑分布窄、顆粒團(tuán)聚程度輕、晶粒發(fā)育完整等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，水熱法制備粉體是在液相中一次完成，不需要后期的高溫?zé)崽幚?，從而避免了鉀離子的揮發(fā)而導(dǎo)致的化學(xué)計(jì)量比的偏移。而水熱高溫混合法是經(jīng)過(guò)改良的水熱法，將反應(yīng)原料加熱到一定的溫度，使反應(yīng)在高溫下開(kāi)始，這種方法可以避免水熱過(guò)程中中間相的產(chǎn)生，此外可以提高產(chǎn)物的結(jié)晶性。近年來(lái)水熱法在納米材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，以Nb205、Ta2O5, KOH 為原料，在水熱環(huán)境中制備出 KTaO3 (Hiromichi Hayashi, Yukiya Hakuta, [J], J. Mater. Sci. 2008，432342)、KNbO3 (Liu JF, Li Y D, [J], J. Cryst. Growth. 2003,247:419) > KTa1^xNbxO3 (Nian Wei, Zhang Duan Ming, et al, [J], J. Am. Ceram. Soc. 2007, 90:1434) ο但是水熱法也有嚴(yán)重的局限性，最明顯的一個(gè)缺點(diǎn)是，該法往往只適用于氧化物或少數(shù)對(duì)水不敏感的硫化物的制備，而對(duì)其他一些對(duì)水敏感的化合物就不適用了。正是在這種背景下，溶劑熱技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。溶劑熱法(Solvothermal Synthesis)，是在水熱法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的材料制備方法，將水熱法中的水換成有機(jī)溶劑或非水溶劑 (例如有機(jī)胺、醇、氨、苯等)，采用類(lèi)似于水熱法的原理，以制備在水溶液中無(wú)法長(zhǎng)成，易氧化、易水解或?qū)λ舾械牟牧稀Ｔ谌軇釛l件下，有機(jī)溶劑也是傳遞壓力的介質(zhì)，同時(shí)起到礦化劑的作用。以有機(jī)溶劑代替水，不僅大大擴(kuò)大了水熱技術(shù)的應(yīng)用范圍，而且由于有機(jī)溶劑本身的特性，如極性，絡(luò)合性能，有時(shí)可以起到獨(dú)特的效果，從溶劑熱合成的角度去研究認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)與晶體生長(zhǎng)習(xí)性，這其中包括的研究?jī)?nèi)容非常豐富。近年來(lái)，在有機(jī)溶劑體系中合成無(wú)機(jī)化合物作為一種新的合成途徑，已取得了一系列的重大進(jìn)展，越來(lái)越受到人們的重視。
發(fā)明內(nèi)容1.技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種納米功能陶瓷材料，該納米功能陶瓷材料成分為堿金屬鈮酸鹽，同時(shí)提供一種用于制備該種納米功能陶瓷材料的方法，該方法采用溶劑熱法，通過(guò)添加有機(jī)溶劑的方法，并利用超臨界流體的作用，通過(guò)溶劑熱法合成納米鈮酸鹽、鉭酸鹽、鈮鉭酸鹽材料粉體。2.技術(shù)方案
為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的第一種技術(shù)方案提供一種納米功能陶瓷材料，其分子式為A(NbxIVx)O3,其中，A為堿金屬，χ=(Γ 。其中堿金屬為鋰、鈉、鉀、銣或者銫。本發(fā)明的用于制備納米功能陶瓷材料的方法包括下列步驟
步驟一配制堿金屬的氫氧化物的有機(jī)溶劑溶液，所述有機(jī)溶劑溶液的濃度為 0. 5Μ^5Μ ；所述的堿金屬為鋰、鈉、鉀、銣或者銫中的一種。步驟二 根據(jù)水熱反應(yīng)釜的填充度，量取步驟一得到的堿金屬氫氧化物的有機(jī)溶劑溶液，加入到反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中并攪拌，所述的水熱反應(yīng)釜的填充度為 20%"80% ；
步驟三根據(jù)需要制備的陶瓷材料分子式的化學(xué)劑量配比以及前述步驟一、二中的有機(jī)溶劑的濃度和體積，稱取五氧化二鈮、五氧化二鉭粉體，即根據(jù)材料中有鈮或者鉭元素， 或者同時(shí)具備鈮和鉭元素稱取原材料，然后加入到步驟二所述攪拌中的聚四氟乙烯內(nèi)襯中的堿金屬氫氧化物有機(jī)溶劑溶液中，并繼續(xù)攪拌5飛0分鐘；
步驟四將步驟三所述的聚四氟乙烯內(nèi)襯裝入不銹鋼水熱反應(yīng)釜，放入烘箱進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，溫度為18(T40(TC，時(shí)間為2 32小時(shí)，得到沉淀物；
步驟五將步驟四得到的沉淀物用乙醇真空抽濾至中性，再將得到的濾餅在 600C 100°C下干燥M 48小時(shí)，得到結(jié)晶性好的A(NbxIVx)O3納米粉體。所述的有機(jī)溶劑可采用甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、丙酮、乙二醇、甘油、乙酰丙酮中的一種或者兩種或者至少兩種的混合物。本發(fā)明的方法為溶劑熱法，采用本發(fā)明提供的溶劑熱法合成的納米壓電陶瓷粉體實(shí)際上為納米鈮酸鹽粉體、鉭酸鹽粉體或者鈮鉭酸鹽粉體，當(dāng)溫度和壓力超過(guò)有機(jī)溶劑液體的超臨界點(diǎn)時(shí)，這種液體就處于超臨界狀態(tài)，這種狀態(tài)的液體作為溶劑其對(duì)化合物的溶解性能提高，并且粘度降低，傳輸能力增強(qiáng)，因此，超臨界狀態(tài)溶劑中的化學(xué)反應(yīng)更容易進(jìn)行。水的超臨界溫度和壓強(qiáng)分別為T(mén)e=374 °C, Pc=218. 3 atm，而如異丙醇有機(jī)溶劑的超臨界溫度和壓強(qiáng)分別為T(mén)c=235. 3 °C，Pc=47. 0 atm，比水的臨界溫度點(diǎn)低140 °C左右，從而在更加溫和的環(huán)境下合成納米鈮酸鹽、鉭酸鹽、鈮鉭酸鹽材料粉體。3.有益效果
本發(fā)明的納米功能陶瓷粉體的制備方法充分利用有機(jī)溶劑的特性，在更加溫和的條件下合成納米鈮酸鹽、鉭酸鹽、鈮鉭酸鹽材料粉體，如圖1所示，粉體的微觀形貌是細(xì)小的納米KTN四方顆粒，且粉體分散性良好，晶粒尺寸分布均勻，粒徑為200 nm左右。同時(shí)，本發(fā)明的方法步驟簡(jiǎn)單易操作，易于實(shí)現(xiàn)，且合成條件溫和，便于工業(yè)化生產(chǎn)。四


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例溶劑熱高溫混合法合成的納米功能陶瓷粉體(KTN粉體)的 SEM示意圖。五具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
本實(shí)施例提供一種納米功能陶瓷材料，其分子式為A(NbxTai_x)03，其中，A為堿金屬， x=(Tl，堿金屬為鋰、鈉、鉀、銣或者銫。實(shí)施例二
本實(shí)施例提供一種納米壓電陶瓷材料的制備方法，包括下列步驟 步驟一配制堿金屬的氫氧化物的異丙醇溶液，溶液的濃度為0. 5Μ ；所述的堿金屬為鋰、鈉、鉀、銣或者銫中的一種。步驟二根據(jù)水熱反應(yīng)釜的填充度，量取步驟一得到的堿金屬氫氧化物的異丙醇溶液，加入到反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中并攪拌，所述的水熱反應(yīng)釜的填充度為20% ；
步驟三根據(jù)納米功能陶瓷材料分子式中的成分，稱取五氧化二鈮、五氧化二鉭粉體， 加入到步驟三所述攪拌中的聚四氟乙烯內(nèi)襯中的堿金屬氫氧化物異丙醇溶液，并攪拌30 分鐘；如果需要制備的納米功能陶瓷材料為鈮酸鹽粉體，則僅需要稱取五氧化二鈮，相應(yīng)的，如果需要制備的納米功能陶瓷材料為鉭酸鹽粉體，則僅需要稱取五氧化二鉭粉體，同理，如需制備鈮鉭酸鹽粉體，則同時(shí)稱取五氧化二鈮粉體和五氧化二鉭粉體使用；
步驟四將步驟三所述的聚四氟乙烯內(nèi)襯裝入不銹鋼水熱反應(yīng)釜，放入烘箱進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，溫度為180°C，時(shí)間為10小時(shí)，得到沉淀物；
步驟五將步驟四得到的沉淀物用乙醇真空抽濾至中性，再將得到的濾餅在60°C下干燥M小時(shí)，得到結(jié)晶性好的A(NbxTa1JC)3納米粉體，其是X=O. 5。實(shí)施例三
本實(shí)施例提供一種納米功能陶瓷材料的制備方法，包括下列步驟 步驟一配制堿金屬的氫氧化物的異丙醇溶液，溶液的濃度為5M ；所述的堿金屬為鋰、 鈉、鉀、銣或者銫中的一種。步驟二根據(jù)水熱反應(yīng)釜的填充度，量取步驟一得到的堿金屬氫氧化物的異丙醇溶液，加入到反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中并攪拌，所述的水熱反應(yīng)釜的填充度為80% ；
步驟三根據(jù)納米功能陶瓷材料分子式中的成分，稱取五氧化二鈮、五氧化二鉭粉體， 加入到步驟三所述攪拌中的聚四氟乙烯內(nèi)襯中的堿金屬氫氧化物異丙醇溶液，并攪拌60 分鐘；
步驟四將步驟三所述的聚四氟乙烯內(nèi)襯裝入不銹鋼水熱反應(yīng)釜，放入烘箱進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，溫度為400°C，時(shí)間為32小時(shí)，得到沉淀物；
步驟五將步驟四得到的沉淀物用乙醇真空抽濾至中性，再將得到的濾餅在100°C下干燥48小時(shí)，得到結(jié)晶性好的A(NbxIVx)O3納米粉體，其中X=I。
權(quán)利要求
1.一種納米功能陶瓷材料，其特征在于，其分子式為A(NbxIVx)O3,其中，A為堿金屬， χ=0 1。
2.如權(quán)利要求1所述的納米功能陶瓷材料，其特征在于，所述堿金屬為鋰、鈉、鉀、銣或者銫。
3.一種用于制備如權(quán)利要求1所述的納米功能陶瓷材料的方法，其特征在于，包括下列步驟步驟一配制堿金屬的氫氧化物的有機(jī)溶劑溶液，所述有機(jī)溶劑溶液的濃度為 0. 5M 5M ；步驟二 根據(jù)水熱反應(yīng)釜的填充度，量取步驟一得到的堿金屬氫氧化物的有機(jī)溶劑溶液，加入到反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中并攪拌，所述的水熱反應(yīng)釜的填充度為209Γ80% ；步驟三根據(jù)待制備的納米功能陶瓷材料分子式的化學(xué)劑量配比以及所述有機(jī)溶劑溶液的濃度和體積，稱取五氧化二鈮、五氧化二鉭粉體，加入到步驟三所述攪拌中的聚四氟乙烯內(nèi)襯中的堿金屬氫氧化物有機(jī)溶劑溶液，并攪拌5飛0分鐘；步驟四將步驟三所述的聚四氟乙烯內(nèi)襯裝入不銹鋼水熱反應(yīng)釜，放入烘箱進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，溫度為18(T40(TC，時(shí)間為2 32小時(shí)，得到沉淀物；步驟五將步驟四得到的沉淀物用乙醇真空抽濾至中性，再將得到的濾餅在 600C 100°C下干燥M 48小時(shí)，得到結(jié)晶性好的A(NbxIVx)O3納米粉體。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的堿金屬為鋰、鈉、鉀、銣或者銫。
5.如權(quán)利要求3所述的的方法，其特征在于，所述的有機(jī)溶劑包括甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、丙酮、乙二醇、甘油、乙酰丙酮中的一種或者兩種或者兩種以上的混合物。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種納米功能陶瓷材料，尤其涉及一種具有ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的納米功能陶瓷材料，同時(shí)涉及一種制備該材料的方法。所述的方法為配制堿金屬的氫氧化物的有機(jī)溶劑溶液；量取所得的有機(jī)溶劑溶液，加入到反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中并攪拌；根據(jù)陶瓷材料分子式的化學(xué)劑量配比、有機(jī)溶劑的濃度和體積，稱取五氧化二鈮、五氧化二鉭粉體加入聚四氟乙烯內(nèi)襯中繼續(xù)攪拌；將聚四氟乙烯內(nèi)襯裝入不銹鋼水熱反應(yīng)釜，進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)得到沉淀物；處理所得到沉淀物得到A(NbxTa1-x)O3納米粉體。本發(fā)明的方法充分利用有機(jī)溶劑的特性，在更加溫和的條件下合成陶瓷粉體，粉體分散性良好，晶粒尺寸分布均勻，步驟簡(jiǎn)單易操作，易于實(shí)現(xiàn)，且合成條件溫和，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/495GK102180671SQ20111006325
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者季宏麗, 朱孔軍, 裘進(jìn)浩, 顧洪匯 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)