一种水热法制备铁酸铋-钛酸钡粉末的方法

摘要

本发明提供了一种水热法制备铁酸铋-钛酸钡粉末的方法，其特征在于，属于水热合成技术与功能陶瓷领域。采用的方法为：利用KOH和去离子水配置浓度为4～10mol/L的矿化剂溶液；以Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O、BaCl2和TiCl4为原料，按照化学式xBiFeO3-(1-x)BaTiO3(0.1≤x≤0.9)配料、混合，滴加盐酸和去离子水，搅拌均匀使原料完全溶解；将上述混合溶液缓慢滴加到KOH矿化剂溶液中搅拌均匀，得到黄褐色前驱体溶液；将上述前驱体溶液导入反应釜中并将反应釜置于200℃烘箱内保温6～36小时，自然冷却后过滤得到反应产物铁酸铋-钛酸钡粉体。本发明所制备的铁酸铋-钛酸钡固溶体粉末结晶完好、粒度分布均匀，采用的工艺流程简单、反应时间短、节约能源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁酸铋-钛酸钡功能陶瓷粉体的制备方法，尤其涉及一种水热法制备铁酸铋-钛酸钡粉末的方法。

背景技术

压电陶瓷广泛应用于军事、医疗和航天等高温环境领域，因此，制备具有较高居里温度的压电陶瓷材料成为研究热点。钛酸钡是一种具有发展前景的无铅压电陶瓷，然而其居里温度过低而影响在高温环境下的使用，应用领域受到极大的限制。铁酸铋作为一种典型的单相铁电磁体材料，具有很高的铁电居里温度(T_C＝830℃)和磁性转变温度(T_N＝370℃)，是极少数在室温以上具有磁电耦合效应的材料。铁酸铋-钛酸钡固溶体具有较高的居里温度和较宽的稳定温度区间，作为一种新兴的功能陶瓷材料受到广泛的关注。

一般来讲，形成固溶体需在高温条件下进行，因此常见的合成铁酸铋-钛酸钡固溶体的方法是固相反应法，如Buscaglia等人(J.Eur.Ceram.Soc.，26(2006)：3027)利用固相反应技术制备出铁酸铋-钛酸钡粉末。但固相反应法必须在高温条件下进行，耗能高，工艺流程复杂且其反应速率较低。

而水热法是一种高效的氧化物合成方法，其基本原理是在密闭容器中形成高温高压环境，氢氧化物溶入水的同时析出氧化物，水热反应在100～200℃的低温下即可完成，所制备的粉体直接晶化，不需高温处理。利用水热法制备铁酸铋或钛酸钡粉体较为常见，公开号为CN101654283A的发明专利提供了一种微波水热法制备铁酸铋粉体的方法，将FeCl₃·6H₂O和Bi(NO₃)₃·5H₂O溶解于乙二醇在碱性条件下制备出铁酸铋粉体。公开号为CN 101045554A的发明专利提供了一种水热合成制备均分散四方相钛酸钡纳米晶的方法，利用二氧化钛或钛酸丁脂与氢氧化钡制备出钛酸钡粉体。

目前，国内外尚未见到在较低温度下利用水热法合成铁酸铋-钛酸钡固溶体陶瓷粉末的相关报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种在低温条件下利用水热法合成铁酸铋-钛酸钡的方法。

本发明的目的通过以下方式实现：一种水热法制备铁酸铋-钛酸钡粉末的方法，包括以下步骤：

(1)矿化剂溶液的配制：采用化学纯的KOH及去离子水配置浓度为4～10mol/L的KOH矿化剂溶液；

(2)原料的配制：按铁酸铋-钛酸钡的化学计量比称重并配料：以分析纯的Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、BaCl₂和TiCl₄为原料，按照化学式xBiFeO₃-(1-x)BaTiO₃配料，其中，0.1≤x≤0.9，混合后滴加盐酸和去离子水，通过磁力搅拌使原料完全溶解；

(3)制备前驱体溶液：将步骤(2)所得混合溶液滴加到步骤(1)所得KOH矿化剂溶液中，继续磁力搅拌0.5～1小时，然后超声振荡10～30分钟，得到黄褐色前驱体溶液；

(4)水热合成：将步骤(3)所得前驱体溶液移至耐高温高压反应釜中，填充度为60～80％，密封反应釜，并将反应釜置于温度为190～210℃的烘箱内保温6～36小时，使其充分反应；

(5)过滤和干燥：盛有溶液的反应釜随烘箱自然冷却，从烘箱内取出反应釜，将溶液倒至盛有去离子水的烧杯中，过滤并用冰醋酸与去离子水反复冲洗所得沉淀物，然后在80～100℃的烘箱内干燥，得到铁酸铋-钛酸钡固溶体陶瓷粉末。

所述步骤(3)中，混合溶液的滴加速度为1～2滴/秒。

所述步骤(4)中的耐高温高压反应釜为聚四氯乙烯为内衬的不锈钢反应釜。

本发明的优点在于：

1、利用水热法合成铁酸铋-钛酸钡的反应时间短、工艺流程简单、反应易于控制、合成成本低。

2、使用本发明所述的方法制成的铁酸铋-钛酸钡陶瓷粉体纯度高、结晶度好、粒度分布均匀、重现性好。

附图说明

图1为实施例2中所制备的铁酸铋-钛酸钡产品的XRD图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明

实施例1

采用化学纯的KOH及去离子水配置浓度为4mol/L的矿化剂溶液；按铁酸铋-钛酸钡的化学计量比称重并配料：以分析纯的Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、BaCl₂和TiCl₄为原料，按照化学式0.1BiFeO₃-0.9BaTiO₃配料、混合，滴加盐酸和去离子水，通过磁力搅拌使原料完全溶解；将配制的混合溶液以2滴/秒的速度滴加到前述的KOH矿化剂溶液中，继续磁力搅拌1小时，然后超声振荡30分钟，得到黄褐色前驱体溶液；将上述前驱体溶液放入聚四氯乙烯为内衬的不锈钢反应釜中，填充度为80％，密封反应釜，并将反应釜置于210℃烘箱内保温6小时，使其充分反应；盛有溶液的反应釜随烘箱自然冷却，从烘箱内取出反应釜，将溶液倒至盛有去离子水的烧杯中，过滤并用冰醋酸与去离子水反复冲洗所得沉淀物，然后在90℃烘箱内干燥，得到铁酸铋-钛酸钡粉体。

实施例2

采用化学纯的KOH及去离子水配置浓度为10mol/L的矿化剂溶液；按铁酸铋-钛酸钡的化学计量比称重并配料：以分析纯的Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、BaCl₂和TiCl₄为原料，按照化学式0.5BiFeO₃-0.5BaTiO₃配料、混合，滴加盐酸和去离子水，通过磁力搅拌使原料完全溶解；将配制的混合溶液以1滴/秒的速度滴加到前述的KOH矿化剂溶液中，继续磁力搅拌0.5小时，然后超声振荡10分钟，得到黄褐色前驱体溶液；将上述前驱体溶液放入聚四氯乙烯为内衬的不锈钢反应釜中，填充度为60％，密封反应釜，并将反应釜置于190℃烘箱内保温24小时，使其充分反应；盛有溶液的反应釜随烘箱自然冷却，从烘箱内取出反应釜，将溶液倒至盛有去离子水的烧杯中，过滤并用冰醋酸与去离子水反复冲洗所得沉淀物，然后在80℃烘箱内干燥，得到铁酸铋-钛酸钡粉体。图1为所制备的铁酸铋-钛酸钡产品的XRD图谱，从图中可以看出，利用水热法合成了纯净的钙钛矿结构，没有杂相产生。

实施例3

采用化学纯的KOH及去离子水配置浓度为6mol/L的矿化剂溶液；按铁酸铋-钛酸钡的化学计量比称重并配料：以分析纯的Bi(NO₃)₃·5H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、BaCl₂和TiCl₄为原料，按照化学式0.9BiFeO₃-0.1BaTiO₃配料、混合，滴加盐酸和去离子水，通过磁力搅拌使原料完全溶解；将配制的混合溶液以1滴/秒的速度滴加到前述的KOH矿化剂溶液中，继续磁力搅拌0.5小时，然后超声振荡15分钟，得到黄褐色前驱体溶液；将上述前驱体溶液放入聚四氯乙烯为内衬的不锈钢反应釜中，填充度为70％，密封反应釜，并将反应釜置于200℃烘箱内保温36小时，使其充分反应；盛有溶液的反应釜随烘箱自然冷却，从烘箱内取出反应釜，将溶液倒至盛有去离子水的烧杯中，过滤并用冰醋酸与去离子水反复冲洗所得沉淀物，然后在100℃烘箱内干燥，得到铁酸铋-钛酸钡粉体。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。