一种微波水热法合成Bi0.5Na0.5TiO3球形颗粒的方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,BNT)的制备方法,尤其涉及一种微波水热合成BNT单粒径球形颗粒的制备方法,该方法能够合成出满足压电陶瓷元器件的要求的BNT单粒径球形颗粒。
背景技术
[0002] 压电陶瓷材料广泛应用于
电子信息、集成
电路、计算机、自动控制、航空航天、海洋测绘、通信技术、
汽车和
能源等高新技术领域,成为许多新型电子元器件的
基础材料,在国民经济和国防建设中占有十分重要的战略地位。传统的压电陶瓷包括PZT为基的二元系及多元系陶瓷材料并且有着很广泛的应用,但是PZT基的压电陶瓷但中,
氧化铅含量占到了原料总量的70%左右,这就导致了两方面的弊端,一方面由于PbO是一种易挥发的物质,在
烧结过程中,材料会偏离化学计量比,使得产品的重复性和一致性降低;另一方面,有毒的铅挥发造成了环境的严重污染。随着全社会对环境保护问题的重视,欧盟等发达国家等通过立法方式限制含铅陶瓷的制造和使用,即到2006年7月1日,各类电子产品都应是无铅的。因此,研究和开发无铅压电陶瓷是一项迫切的、具有重大社会和经济意义的课题。钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,BNT)无铅压电陶瓷发现于1960年,具有
铁电性强、压电性能佳、
介电常数小及声学性能好等优良特征,被认为是最可能取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系之一,正得到广泛研究。该材料具有广阔的应用前景,如应用于高频
滤波器、
传感器、超
声换能器及工业探伤、测厚、医用超声诊断等压电元件。制备单分散粒径的BNT颗粒对于拓展其应用有着重要的意义。
[0003] 目前为止,制备BNT系压电陶瓷粉体的方法主要有固相法和液相法。固相法是将原料氧化物按照配比,然后在高温下
煅烧形成BNT。该方法工艺较简单,也适合大规模生产,但是这种方法合成的粉体形状不规则,粒径分布不均匀且很难获得更细的颗粒来满足高新技术领域的要求。
[0004] 液相法也是普遍采用的一种制备方法,以现在常用的水热法为例,该法一般是在高温高压下使无机或有机化合物与水化合,通过对
加速渗析反应和物理过程的控制,可以得到改进的无机物,经过滤、洗涤、干燥后,可制得高纯、超细的各类微粒。该方法合成的粉体具有粒径分布窄,纯度高,化学计量精确等优点而被广泛地使用,但是反应前需要对原料处理,反应时间长等缺点,不利于大规模工业化生产。
[0005] 苏鑫明等(中国稀土学报,2006,24(Spec.Issue):320-324)用水热法合成了BNT
块状粉体,其实施方法如下:用分析纯的Bi(NO3)3·5H2O作为铋源,分析纯的Ti(C4H8O)4作为钛源,分析纯的NaOH作为钠源和矿化剂(浓度10-14mol/L),在50ml的水热釜中,控制
温度为200℃反应12小时(其中[Ti]=0.2mol/L,[Bi]=0.1mol/L),将水热得到的样品经去离子水洗涤至pH为中性,干燥后,得到BNT粉体。该方法的缺点是过高的
碱量的加入对合成的设备有很高的要求,提高了合成的成本和提纯的步骤,过长的反应时间也限制了其工业化生产。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了改进现在制备BNT粉体中存在合成温度高,反应时间长,对设备要求高等带来的成本问题,而提出了一种微波水热法合成Bi0.5Na0.5TiO3球形颗粒的方法;合成了粒径分布窄的球形颗粒,来满足对电子陶瓷元器件提出的高可靠性、多功能、微型化的要求。
[0007] 本发明的技术方案为:一种微波水热法合成Bi0.5Na0.5TiO3球形颗粒的方法,其具体步骤为:
[0008] A.首先配制
硝酸铋(Bi(BO3)3·5H2O)溶液,然后向其中滴入含钛化合物溶液,形成4+ 3+
均匀的混合溶液;其中含钛化合物的加入量为控制[Ti ]/[Bi ]的摩尔比为1.5~2;
[0009] B.配制NaOH的
水溶性溶液,将NaOH的水溶性溶液滴入步骤A所制备的混合溶液4+ -
中,控制混合溶液中的[Ti ]的摩尔浓度为0.05~0.5M,[OH]的摩尔浓度为1~5M;
[0010] C.利用微波
水热系统,使用微波加热的方式对步骤B所制备的混合溶液进行加热反应,控制加热反应温度为140~190℃,反应时间为2~6小时;反应结束后,过滤、洗涤至中性、干燥,得到Bi0.5Na0.5TiO3球形颗粒。
[0011] 优选所述的含钛化合物溶液为钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)或四氯化钛(TiCl)溶液。
[0012] 本发明中NaOH作为钠源和矿化剂,控制整个溶液体系的[OH-]的摩尔浓度;
[0013] 本发明所制得的Bi0.5Na0.5TiO3球形颗粒(单粒径球形超细BNT粉体)平均粒径控制在200~500nm之间。
[0014] 有益效果:
[0015] 1、通过该发明所制备的单粒径高分散球形超细BNT粉末具有粒径可调(200~500nm)、粒度分布较窄(单粒径)、球形等优点。
[0016] 2、使用该方法过程简单,不使用
有机溶剂或有机反应物,反应时间短并且可以连续工作,使得生产成本降低,适合工业化生产。
附图说明
[0017] 图1实例1所得BNT粉体的SEI图。
[0018] 图2单粒径球形超细BNT粉体的XRD图,其中横轴代表衍射
角,纵轴代表强度。
[0019] 图3实例2所得BNT粉体的SEI图。
[0020] 图4实例3所得BNT粉体的SEI图。
具体实施方式
[0022] 称取3.359g Bi(BO3)3·5H2O溶于50mL去离子水中,随后在其中逐滴滴入4+ 3+
3.5mLTi(OC4H9)4,搅拌形成混合溶液(溶液A),控制[Ti ]/[Bi ]摩尔比为1.5。称取
16.0106g NaOH溶于50mL去离子水中(溶液B)。将溶液B逐滴滴入溶液A中,搅拌形成均-
匀的混合溶液(溶液C),控制反应后溶液中[OH]=5M。量取10mL溶液C置于反应容器,放入微波水热系统中(PIEMEX)进行微波加热;控制合成温度为190℃,反应时间为2h。反应结束后过滤沉淀,用去离子水洗涤沉淀至中性。将沉淀放入烘箱,在80℃的条件下干燥,得到单粒径球形超细BNT粉体。
[0023] 取少许BNT粉体置于30ml
乙醇中,在
超声波清洗机中超声分散5min。滴于
铜质样品台上,使用日本电子的JSM-5900型扫描电镜观察颗粒形貌及其颗粒大小,如图1(扫描电镜二次电子像SEI)所示。
[0024] 对得到的粉体进行
X射线衍射分析,表明为BNT(PDF卡片No.46-0001),如图2所示。
[0025] 实施例2:
[0026] 称取2.5192g Bi(BO3)3·5H2O溶于50mL去离子水中,随后在其中逐滴滴入4+ 3+
3.5mLTi(OC4H9)4,搅拌形成混合溶液(溶液A),控制[Ti ]/[Bi ]摩尔比为2。称取
6.7375gNaOH溶于50mL去离子水中(溶液B)。将溶液B逐滴滴入溶液A中,搅拌形成均匀-
的混合溶液(溶液C),控制反应后溶液中[OH]=1M。量取10mL溶液C置于反应容器,放入微波水热系统中进行微波加热。控制合成温度为140℃,反应时间为6h。
[0027] 其他步骤与实例1所述相同。得到的BNT粉体的SEI如图3所示。
[0028] 实施例3:
[0029] 称取2.675g Bi(BO3)3·5H2O溶于50mL去离子水中,随后在其中逐滴滴入4+ 3+
1.2mLTiCl4,搅拌形成混合溶液(溶液A),控制[Ti ]/[Bi ]摩尔比为2。称取6.8964g NaOH溶于50mL去离子水中(溶液B)。将溶液B逐滴滴入溶液A中,搅拌形成均匀的混合-
溶液(溶液C),控制反应后溶液中[OH]=1M。量取10mL溶液C置于反应容器,放入微波水热系统中进行微波加热。控制合成温度为190℃,反应时间为2h。
[0030] 其他步骤与实例1所述相同。得到的BNT粉体的SEI如图4所示。