[发明专利]一种低温制备Bi3TiNbO9微纳米压电铁电粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温制备Bi₃TiNbO₉微纳米压电铁电粉体的方法，属于无机材料制备技术领域。

背景技术

为了保护生态环境和促进人类社会可持续发展，无铅压电铁电材料的研发及其应用已成为当前压电铁电材料领域研究的热点。其中，铋层状结构材料具有高居里温度Tc、低介电常数、低老化率、高电阻率、高介电击穿强度及明显的机电耦合系数各向异性等优异的性能，在信息、航天、激光和生物等诸多高新科技领域里发挥着越来越重要的作用，成为替代传统铅基压电铁电材料的最具前途的无铅材料。

Bi₃TiNbO₉作为其典型代表，是铋层状结构压电铁电材料中居里温度最高的化合物(Tc＝930℃)，特别适合在高温、高频场合使用。Bi₃TiNbO₉具有压电介电性能各向异性大，电学特性优异，自发极化强、疲劳特性好，漏电流小的特点，不仅应用于滤波器、制动器、高压发生器、高温换能器及电光器件中，也成为广泛研究的非挥发随机存取储存器的很有希望的新一代材料。

目前，Bi₃TiNbO₉粉体均是采用传统的高温固相反应法制备，具有很大的局限性。该方法合成温度较高(900-1200℃)，物料活性低，能量消耗大，反应难以控制，制备出的粉体粒径偏大(微米级)，粒度分布不均匀，纯度、均一性都较差，容易引进杂质相，特别在高温下铋的挥发性，导致产物化学计量比不准确。为此，人们对于Bi₃TiNbO₉粉体的研究主要集中在开拓新的低温制备方法上。

发明内容

本发明针对现有高温固相法制备Bi₃TiNbO₉粉体存在的问题，提供一种低温制备Bi₃TiNbO₉微纳米压电铁电粉体的方法，该方法制备出的Bi₃TiNbO₉粉体粒度分布均匀、纯度较高、组分达到分子级混合，通过热退火工艺处理后，能够实现对其颗粒大小在纳米至微米范围内的可控生长。

本发明低温制备Bi₃TiNbO₉微纳米压电铁电粉体的方法包括以下步骤：

(1)将五氧化二铌(Nb₂O₅)在80-90℃下溶解于40％的氢氟酸(HF)中，然后向其中滴入氨水(NH₃·H₂O)溶液至pH值为8.5-9.5，形成白色氢氧化铌(Nb(OH)₅)沉淀物，室温下陈化10-16小时，将沉淀物过滤、洗涤后溶于柠檬酸水溶液中，柠檬酸与Nb₂O₅的摩尔比为(8-16)∶1，形成透明的Nb-柠檬酸溶液；

(2)按照摩尔比Nb⁵⁺∶Ti⁴⁺∶Bi³⁺∶EDTA＝1∶1∶3∶(3-4.5)及NH₄NO₃∶柠檬酸＝(3-6)∶1的比例将钛酸四丁酯(Ti(C₄H₉O)₄)、五水合硝酸铋(Bi(NO₃)₃·5H₂O)、乙二胺四乙酸(EDTA)及硝酸铵(NH₄NO₃)依次加入到步骤(1)制取的Nb-柠檬酸溶液中，形成透明溶液，95-105℃下加热搅拌，得到浅黄色的前驱体凝胶；

(3)将该前驱体凝胶在450-800℃下烧结5-60分钟，即得到Bi₃TiNbO₉纳米粉体材料；

(4)将得到的Bi₃TiNbO₉纳米颗粒在500-900℃下退火处理5-120小时，即得到粒度大小分布在30nm-1μm的Bi₃TiNbO₉粉体。