一种离子掺杂钛酸铋钾纳米粉体及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种离子掺杂钛酸铋钾体系纳米粉体及其制备方法，属于压电材料技术领域。该纳米粉体的分子式为Ｂｉ０．５Ｋ０．５ＴｉＯ３＋ｕＭαＯβ（ｕ＝０～０．０６；Ｍ＝Ｃｕ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ时，α＝β＝１；Ｍ＝Ｂｉ时，α＝２，β＝３）。在其制备工艺中采用溶胶－凝胶（ｓｏｌ－ｇｅｌ）法，以钛酸四丁酯、硝酸钾、硝酸铋及掺杂离子的金属盐为主要原料，以丙三醇和冰乙酸为溶剂，乙酰丙酮为稳定剂制得相应的前驱体溶液。在６０℃左右加热搅拌２ｈ，得到稳定性能的溶胶。在９０℃干燥箱中恒温干燥２４ｈ，凝胶化和凝胶的干燥一次性完成。干凝胶粉在坩埚中经４００℃～７００℃烧结得到离子掺杂的钛酸铋钾纳米粉体。本发明专利技术合成周期短，成相温度低，工艺简单，成本较低，产品质量稳定，纳米粉体晶粒细小（小于２０ｎｍ）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境协调功能材料制备
，特别涉及一种离子掺杂钛酸铋钾纳米粉体及其制备方法。
技术介绍
压电材料能够实现机械能和电能之间的相互转化，具有压电、铁电、光电及热释电 等多方面的性质，在机械、电子、通信等领域有着十分广泛的应用，是一种十分重要的功能 材料。锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)(^，简称PZT)由于其优异的压电性能一直在传感器、驱动器、转 换器等方面占主导地位，然而PZT中氧化铅(Pb0)约占原料总量的70X左右，Pb0是一种有 毒的、高温下易挥发的物质，对环境产生负担，严重危害人类健康。因此发展无铅的环境协 调性的压电材料是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。 钛酸铋钾(K。.5Bi。.sT叫，简称KBT)在室温时属四方结构，与目前研究较多的钛 酸铋钠(Na。.5Bi。.sTi03，简称NBT)同属于A位复合掺杂钙钛矿铁电体。KBT居里温度高达 38(TC，矫顽电场较低(Ec = 1. 5kV/mm)，因此KBT具有在室温下更宽的温度使用区间及较低 的极化难度，并体现了在高温条件下可替代铅基材料(如PbTi03，PbZr03等)的潜力。传统 工艺制备陶瓷基于高温固相反应机制，得到的粉体颗粒较粗(微米级)。KBT很难烧结，且 产物中常伴有难以消除的杂相，使得高致密度KBT陶瓷的制备与压电性能研究较少。近年 来，溶胶-凝胶(sol-gel)法由于材料中各种组分可以实现原子或分子级的均匀混合，可以 制得高度均匀致密的材料，在制造精细陶瓷方面受到人们的注意。
技术实现思路
本专利技术的目的是公布了一种通过sol-gel法制备具有纯钙钛矿相，粒径均一细小 (小于20nm)的离子掺杂钛酸铋钾纳米粉体及其制备方法，为高致密度KBT基功能陶瓷的制 备和研究创造条件。 本专利技术是由如下技术方案实现的 本专利技术所制备离子掺杂钛酸铋钾纳米粉体是由钛、铋、钾、铜、钴、锶、钡、氧离子组成的，具有钙钛矿结构的纳米粉体材料。其分子式为Bi。.5K。.5Ti03+uMaOe (u = 0 0. 06 ;M=Cu、 Co、 Sr、 Ba时，a = p = i ;M = Bi时，a =2， P = 3)。 本专利技术的制备工艺依次如下 (1)配置前期溶液，前期溶液为下列情况之一种 ①纯钛酸铋钾Bi。. 5K。. 5Ti03溶液，即u = 0时按分子式的化学计量比准确称取五水 硝酸铋、硝酸钾溶于冰乙酸、去离子水和丙三醇的混合液中，持续加热并不断搅拌，温度控 制在5(TC 7(TC，直至完全溶解。制成溶液1#。 ②离子掺杂的钛酸铋钾系Bi。.5K。.5Ti03+uMaOe溶液，即0 < u《0. 06时按分子式 的化学计量比准确称取五水硝酸铋、硝酸钾和硝酸M或醋酸M (M为铋、铜、钴、锶或钡元素中 的任意一种)溶于冰乙酸、去离子水和丙三醇的混合液中，持续加热并不断搅拌，温度控制在50°C 7(TC，直至完全溶解。制成溶液1#。 (2)按分子式的化学计量比准确量取钛酸四丁酯并加入适量乙酰丙酮做稳定剂，在室温下进行搅拌，制成溶液2#。选择前期溶液之一种，将2#溶液缓慢倒入1#溶液，在50°C 7(TC下充分加热搅拌2h，得到透明稳定的溶胶。 (3)将所得溶胶在9(TC干燥箱中恒温干燥24h得到干凝胶。 (4)将干凝胶研成粉末，放在坩埚中以3°C /min的升温速率升至400°C 700°C，保温2h后随炉冷却，得到离子掺杂的钛酸铋钾纳米粉体。 本专利技术的有益效果是采用五水硝酸铋、硝酸钾和钛酸四丁酯作为主要原料，其中 五水硝酸铋无须去除结晶水，使得制备步骤少，工艺简单。硝酸钾不溶于一般有机溶剂(如 冰乙酸等)，根据大量实验得出其溶于去离子水和丙三醇，并确定了有机溶剂的比例如下钛酸四丁酯与乙酰丙酮摩尔比为i : i i : 2;冰乙酸与去离子水体积比为3 : i ;所需丙三醇体积小于等于所需去离子水的体积。本专利技术工艺合理，便于操作，由于丙三醇的加入 使溶胶更加稳定。由溶胶制凝胶、凝胶的干燥可一步完成，方便了操作，縮短了制备周期。退火温度低，500t:烧结基本形成钙钛矿相，600t:烧结形成纯钙钛矿相，比通常的固相反应法合成粉体的烧结温度(740°C IOO(TC )降低了 20(TC左右，且无杂相产生。温度提高到 800°C ，体系仍为纯f丐钛矿相结构，说明了 sol-gel法制备钛酸铋钾系列纳米粉体的热稳定 区域较宽。且所得离子掺杂钛酸铋钾纳米粉体产物粒径大小均一细小(小于20nm)，为陶瓷 器件小型化的制备和研究创造了条件。附图说明 图1是不同温度退火的KBT纳米粉体的XRD谱。 图2是KBT纳米粉体在74(TC退火条件下的TEM图。 图3是离子掺杂的KBT纳米粉体的XRD谱。具体实施例方式粉体的相结构(XRD)采用DLMAX-2200X射线衍射仪分析，采用JEOL 200CX透射电子显微镜测定所制备材料的颗粒尺寸和形貌。 实施例1 配置纯钛酸铋钾粉体，即u = 0时 (1)按分子式Bi。.5K。.5Ti03的化学计量比准确称取原料五水硝酸铋9. 799g、硝酸 钾2. 043g溶于30ml冰乙酸、10ml去离子水和10ml丙三醇的混合液中，持续加热并不断搅 拌，温度控制在50°C 7(TC，直至完全溶解。制成溶液1#。 (2)按分子式Bi。.5K。.Ji03的化学计量比准确量取13.9ml钛酸四丁酯并加入 5. Oml乙酰丙酮做稳定剂，在室温下进行搅拌，制成溶液2#。将2#溶液缓慢倒入1#溶液， 在50°C 7(TC下充分加热搅拌2h，得到透明稳定的溶胶。 (3)将所得溶胶在9(TC干燥箱中恒温干燥24h得到干凝胶。 (4)将干凝胶研成粉末，放在坩埚中以3°C /min的升温速率升至400°C、500°C、 600°C 、700°C 、740°C和800°C ，保温2h后随炉冷却，得到纯钛酸铋钾纳米粉体。 实施例2 配置Bi离子补偿掺杂的钛酸铋钾系溶液，当分子式中M = Bi， u = 0. 06时 (1)按分子式Bi。. 5K。.5Ti03+uMa 0e的化学计量比准确称取原料五水硝酸铋10. 3874g、硝酸钾2. 043g溶于30ml冰乙酸、10ml去离子水和10ml丙三醇的混合液中，持续加热并不断搅拌，温度控制在50°C 7(TC，直至完全溶解。制成溶液1#。 (2)按分子式Bi。.5K。.5Ti03+uMaOe的化学计量比准确量取13. 9ml钛酸四丁酯并加入5. Oml乙酰丙酮做稳定剂，在室温下进行搅拌，制成溶液2#。将2#溶液缓慢倒入1#溶液，在50°C 7(TC下充分加热搅拌2h，得到透明稳定的溶胶。 (3)将所得溶胶在9(TC干燥箱中恒温干燥24h得到干凝胶。 (4)将干凝胶研成粉末，放在坩埚中以3°C /min的升温速率升至740°C ，保温2h后 随炉冷却，得到Bi补偿6%的钛酸铋钾纳米粉体记为样品a。 实施例3 配置Cu离子掺杂的钛酸铋钾系溶液，当分子式中M = Cu， u = 0. 01时 (1)按分子式Bi。. 5K。.5Ti03+uMa Oe的化学计量比准确称取原料五水硝酸铋24. 499g、硝酸钾5. 106g、一水合乙酸铜0. 202g溶于75ml冰乙酸、25ml去离子水和1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子掺杂钛酸铋钾纳米粉体，其特征在于它由钛、铋、钾、铜、钴、锶、钡、氧离子组成，其分子式为Ｂｉ↓［０．５］Ｋ↓［０．５］ＴｉＯ↓［３］＋ｕＭ↓［α］Ｏ↓［β］，其中ｕ为０～０．０６；Ｍ为铋、铜、钴、锶或钡元素中的任意一种，当Ｍ＝Ｃｕ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ时，α＝β＝１；当Ｍ＝Ｂｉ时，α＝２，β＝３。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵苏串，何敏，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]