一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法，首先用熔鹽法制備出片狀的Bi4Ti3O12中間體，然后利用NaOH和KOH在230～260℃融化提供的液體環(huán)境中，Bi4Ti3O12中間體與Ba(OH)2、Sr(OH)2采用離子交換法制備超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備的微米級片狀鈦酸鍶鋇晶體為立方相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇粉體；大小分布均勻，外形為方片或長方片狀，外形尺寸長為4-8μm，厚為0.2-0.5μm，可通過調(diào)節(jié)鋇鍶比調(diào)節(jié)鈦酸鍶鋇的晶格常數(shù)，使鈦酸鍶鋇種晶與基體陶瓷粉體具有相近的晶格常數(shù)，更好的引導基體在種晶的表面外延生長，該晶體適合做模版法制備高性能織構(gòu)化壓電陶瓷的種晶；該方法具有合成溫度低、簡單易行、成本低、能耗小、方便快速等優(yōu)點，可規(guī)模化生產(chǎn)。
【專利說明】一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無鉛壓電材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電材料作為傳感器、制動器和變頻器被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控、通訊、信息系統(tǒng)及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。目前具有優(yōu)異壓電性能的單晶材料由于制備技術(shù)復雜且費用昂貴制約了其適用范圍，而多晶材料由于晶粒取向任意分布，導致材料的壓電性能平庸難以應(yīng)用，織構(gòu)化技術(shù)使多晶料形成擇優(yōu)取向，提高晶體的性能，大大提高了材料的性能，降低了生產(chǎn)的成本。
[0003]織構(gòu)化技術(shù)是指通過工藝控制，使原本無規(guī)則取向的陶瓷晶粒定向排列，使之具有接近單晶的性能。目前研究較多的織構(gòu)化技術(shù)主要有模版晶粒生長技術(shù)和反應(yīng)模版生長技術(shù)。在這兩種方法中，制備具有片狀形貌特征的、合適的晶格結(jié)構(gòu)的、不與基體反應(yīng)的模版晶粒是一個關(guān)鍵步驟[伍萌佳，楊群保，李永祥.織構(gòu)化工藝在無鉛壓電陶瓷中的應(yīng)用.無機材料學報，2007，22，1026-1031.]。
[0004]目前制備高性能織構(gòu)化壓電陶瓷的模版材料主要有鈦酸鋇、鈦酸鍶材料[G.L.Messing,S.Trolier-McKinstry, E.M.SaboIsky,et al.Templated grain growth oftextured piezoelectric ceramics, Critical Reviews in Solid State and MaterialsSciences, 2004，29:45-96.]，大部分采用的是兩步熔鹽法，熱處理溫度在900-1000°C，能耗較大，并且欽酸鋇屬于欽礦結(jié)構(gòu)[J.P.Remeika, W.Morrison Jackson.A Method forGrowing Barium Titanate Single Crystals J.Am.Chem.Soc.,1954,76(3), 940-941.],具有較高的對稱性，晶粒很難得到各向異性的形貌，制備的鈦酸鋇模版厚度均在2μπι以上，采用這樣的鈦酸鋇模版不 利于作為晶種在基體中平鋪，而鈦酸鍶模版的厚度較薄[Mohammad E.Ebrahimi, Mehdi Allahverdi, Ahmad Safar1.Synthesis of high aspectratio platelet SrTi03.J.Am.Ceram.Soc.，2005，88 [8] 2129-2132.]，制備的織構(gòu)化具有較高的取向度，但由于鈦酸鍶順電相的存在，會導致陶瓷的壓電性能惡化。因此很有必要探索一種低溫合成超薄微米片狀新模版的方法，并且其居里溫度可以通過組分進行調(diào)控。
[0005]而鈦酸鍶鋇是鈦酸鋇與鈦酸鍶形成的固溶體，具有高的電容率，低介電損耗、居里溫度隨組成改變而改變、良好的鐵電、壓電、耐壓和絕緣性能，是一種優(yōu)良的熱敏材料、鐵電壓電材料。微米級片狀鈦酸鍶鋇(BaxSivxTiO3)晶體適合用作模版制備高性能織構(gòu)化壓電陶瓷的種晶，具有以下優(yōu)勢:微米級片狀鈦酸鍶鋇具有外形為方片或長方片狀的外形，具有合適的尺寸，從而更好引導基體生長；通過調(diào)節(jié)鋇鍶比可以調(diào)節(jié)鈦酸鍶鋇的晶格常數(shù)和居里溫度，使鈦酸鍶鋇種晶與基體陶瓷粉體具有相近的晶格常數(shù)，更好的引導基體在種晶的表面外延生長。目前制備超薄微米片狀鈦酸鍶鋇模版的資料鮮有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有工藝繁瑣，制備周期過長、能耗過大等不足而提供一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0008]一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法，首先用熔鹽法制備出片狀的Bi4Ti3O12中間體，然后利用NaOH和KOH在230?260°C融化提供的液體環(huán)境中，Bi4Ti3O12中間體與Ba(0H)2、Sr (OH)2采用離子交換法制備超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體。
[0009]該方法具體包括以下步驟:
[0010](I)將Ti02、Bi203粉體按照摩爾比1: 1.12?1: 1.4混合后得到混合粉體；將混合粉體與NaCl按照質(zhì)量比1: 1.1?1: 1.3混合，在950?1150°C下保溫2小時，通過超聲清洗粉體中的NaCl，75?90°C下干燥，獲得片狀的Bi4Ti3O12晶體；
[0011 ] (2)將步驟(I)制備的片狀的Bi4Ti3O12晶體與Ba (OH)2, Sr (OH) 2按照摩爾比I: (6?7.8): (3?3.6)混合，得到第一組粉體，將NaOH和KOH按質(zhì)量比(50?
51.5): (50?48.5)混合后，得到第二組粉體，將第一組粉體與第二組粉體按照質(zhì)量比1: 7?1: 8.5混合，并輥磨進行混料，得到第三組粉體；
[0012](3)將第三組粉體放入氧化鋁坩堝中熱處理，然后通過濃度6%?8%的稀硝酸清洗粉體中的NaOH、KOH及Bi2O3,并在75?90°C干燥，獲得微米級片狀鈦酸鍶鋇晶體。
[0013]步驟(2)采用干式輥磨進行混料，輥磨介質(zhì)為二氧化鋯球，料球比為1: 1.2?I: 1.4，輥磨速度為100?130rad/s，輥磨時間2?5小時。
[0014]步驟(3)所述的熱處理的溫度為230?260°C，熱處理的時間為12?16h。
[0015]本發(fā)明所制備的微米級片狀鈦酸鍶鋇晶體為立方相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇粉體；大小分布均勻，外形為方片或長方片狀，外形尺寸長為4-8 μ m，厚為0.2-0.5 μ m。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明先用熔鹽法制備出片狀的Bi4Ti3O12中間體，然后利用NaOH和KOH在230?260°C融化提供的液體環(huán)境進行離子交換反應(yīng)，最終合成出片狀的鈦酸鍶鋇晶體，所合成的晶體為立方相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇粉體；大小分布均勻，外形為方片或長方片狀，外形尺寸長為4-8 μ m，厚為0.2-0.5μπι;可通過調(diào)節(jié)鋇鍶比調(diào)節(jié)鈦酸鍶鋇的晶格常數(shù)，使鈦酸鍶鋇種晶與基體陶瓷粉體具有相近的晶格常數(shù)，更好的引導基體在種晶的表面外延生長，該晶體適合做模版法制備高性能織構(gòu)化壓電陶瓷的種晶；該方法具有合成溫度低、簡單易行、成本低、能耗小、方便快速等優(yōu)點，可規(guī)模化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為實施例1制備的超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的X射線衍射(XRD)圖譜；
[0018]圖2為實施例1制備的超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的掃描電子顯微鏡(SEM)圖譜；
[0019]圖3為實施例1制備的超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的掃描電子顯微鏡(SEM)圖譜；
[0020]圖4為實施例1制備 的超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的掃描電子顯微鏡能譜(EDS)分析圖譜。
【具體實施方式】[0021]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0022]實施例1
[0023]將Ti02、Bi2O3粉體按照摩爾比1: 1.12混合，將混合粉體與NaCl按照質(zhì)量比
I: 1.1混合，在1000°c保溫2小時，通過超聲清洗粉體中的NaCl，75°C干燥，獲得片狀Bi4Ti3O12 晶體。
[0024]制備的片狀的Bi4Ti3O12與Ba (OH) 2、Sr (OH) 2按照摩爾比混合I: 6: 3混合，NaOH和KOH按質(zhì)量比51.5: 48.5混合，將前述兩種粉體按照質(zhì)量比1: 7混合；采用干式輥磨進行混料，輥磨介質(zhì)為二氧化鋯球，料球比為1: 1.2，輥磨速度為100rad/S，輥磨時間2小時；之后將輥磨后的混合粉體放入氧化鋁坩堝中，在230-260°C保溫12-16小時，然后通過濃度6% -8%的稀硝酸洗粉體中的Na0H、K0H、Bi203，75°C干燥，最終獲得微米級片狀鈦酸鍶鎖晶體。
[0025]該實施例制備的超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的X射線衍射(XRD)圖譜如圖1所示。從圖中可以看出，除了在 2 Θ = 22.40,31.87,39.31,45.73,51.49,56.80,66.64,71.32,75.82處出現(xiàn)的分別對應(yīng)于立方相鈦酸鍶鋇晶體(110)，(111)，(200)，(210)，(211)，(220)，(221)，(310)晶面的八個特征峰外，不存在其他物相的衍射峰，從而證明得到的粉體為鈦酸銀鋇晶體。
[0026]該實施例制備的超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的掃描電子顯微鏡(SEM)圖如圖2、圖3所示。最終合成出片狀的鈦酸鍶鋇晶體，大小分布均勻，外形為方片或長方片狀，外形尺寸長為4-8 μ m，厚為0.2-0.5 μ m。
[0027]該實施例制備的超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的掃描電子顯微鏡能譜(EDS)分析圖如圖4所示，其成分表格 如表I所示，在EDS能譜上有O、Sr、Ba、Ti (Ti與Ba位置相近幾乎重疊)，另外還有兩個沒有標記的峰來自樣品導電而在樣品表面噴的金，EDS成分表結(jié)果表明，樣品中Sr Ba Ti物質(zhì)的量之比為0.556: 0.283: 1，同樣證明得到的粉體為超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體。
[0028]表I超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的成分
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法，其特征在于，首先用熔鹽法制備出片狀的Bi4Ti3O12中間體，然后利用NaOH和KOH在230?260°C融化提供的液體環(huán)境中，Bi4Ti3O12中間體與Ba (OH) 2、Sr (OH) 2采用離子交換法制備超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟: (1)將Ti02、Bi203粉體按照摩爾比1: 1.12?1: 1.4混合后得到混合粉體；將混合粉體與NaCl按照質(zhì)量比1: 1.1?1: 1.3混合，在950?1150°C下保溫2小時，通過超聲清洗粉體中的NaCl，75--90°C下干燥，獲得片狀的Bi4Ti3O12晶體； (2)將步驟(I)制備的片狀的Bi4Ti3O12晶體與Ba(OH) 2、Sr (OH)2按照摩爾比1: (6?7.8): (3?3.6)混合，得到第一組粉體，將NaOH和KOH按質(zhì)量比(50?51.5): (50?48.5)混合后，得到第二組粉體，將第一組粉體與第二組粉體按照質(zhì)量比1: 7?1: 8.5混合，并輥磨進行混料，·得到第三組粉體； (3)將第三組粉體放入氧化鋁坩堝中熱處理，然后通過濃度6%?8%的稀硝酸清洗粉體中的NaOH、KOH及Bi2O3,并在75?90°C干燥，獲得微米級片狀鈦酸鍶鋇晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法，其特征在于，步驟(2)采用干式輥磨進行混料，輥磨介質(zhì)為二氧化鋯球，料球比為1: 1.2?1: 1.4，棍磨速度為100?130rad/s,棍磨時間2?5小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低溫合成超薄微米片狀鈦酸鍶鋇晶體的方法，其特征在于，步驟(3)所述的熱處理的溫度為230?260°C，熱處理的時間為12?16h。
【文檔編號】C04B35/626GK103435341SQ201310320618
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月26日
【發(fā)明者】翟繼衛(wèi), 劉少輝, 汪金文, 沈波 申請人:同濟大學