[发明专利]碱土金属掺杂的纳米钛酸铋及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种溶胶凝胶纳米材料，具体涉及一种碱土金属掺杂的纳米钛酸铋及其制备方法。

背景技术

铁电陶瓷材料具有独特的铁电、介电、热释电、光电等性能，在军事、医学、通讯等众多领域中具有广泛的应用。然而，传统的铁电材料是以锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O₃）为主要成分的三元系材料。但是，由于含铅材料对人体和环境具有很大的危害，加之铅挥发引起材料及相关器件性能的不稳定，容易产生老化，增加材料及相关器件的损耗。随着人类环保意识的提高，欧洲各国决定在近几年逐渐停止含铅材料的进口。因此，探索与研究对环境无害、性能稳定的铁电陶瓷材料具有十分重要的意义。

以Bi₄Ti₃O₁₂(m=3)和Bi₅Ti₄O₁₅(m=4)为代表的铋层状铁电材料具有优良的铁电性能，如抗疲劳特性、低的极化反转电压和快的反转时间，能很好达到铁电存储器的要求，而成为FRAM最佳候选材料。同时它具有较高的居罩温度、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、大的介电击穿强度等特点，因而适合于高温、高频场合使用的压电材料。通过采用一些金属部分替代Bi离子，形成掺杂RxBi_4-xTi₃O₁₂或 RBi_5-xTi₄O₁₅材料，会具有更加优异的性能。

为了获得良好的铁电材料，获得优良的纳米粉体至关重要。近十几年来，尖端电子技术的发展促使人们对铁电细粉的制备技术不断探索。湿化学方法作为一种制备超细粉的方法成为各国材料科学家研究的热点之一。在湿化学方法合成铁电粉体方面也有大量研究。这是因为，通过湿化学法合成的粉末具有颗粒小，烧结温度低的特点，从而为后续高质量的铁电块体的制备奠定了基础。但现有的湿化学法，要么采用共沉淀技术，要么采用常规溶胶凝胶法，都不能获得纳米级的RBi_5-xTi₄O₁₅粉末。

发明内容

本发明的目的是提供一种碱土金属掺杂的纳米钛酸铋及其制备方法，基于湿化学制备方法，在低温下获得颗粒小、分布均匀的纳米粉体。

本发明所采用的技术方案为：

碱土金属掺杂的纳米钛酸铋的制备方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：前驱溶液的制备：

（1）将碱土金属硝酸盐溶解在乙醇中，并加入尿素，搅拌后获得澄清溶液A；

碱土金属、尿素和乙醇的摩尔比例为1：（9-18）：5；

（2）将钛酸丁酯溶解在乙醇中，加入苯甲酰丙酮，搅拌后获得澄清溶液B；

钛酸丁酯、苯甲酰丙酮和乙醇的摩尔比例为1：（0.8-1.6）：5；

（3）将硝酸铋溶解在乙醇和醋酸的混合溶液中，加入苯甲酰丙酮，搅拌后获得澄清溶液C；

硝酸铋、醋酸、苯甲酰丙酮和乙醇的摩尔比例为1：（20-40）：（0.6-1.2）：5；

（4）将澄清溶液A、B、C按照碱土金属硝酸盐：钛酸丁酯：硝酸铋=1：4：4的摩尔比例混合，获得澄清溶液，通过调整乙醇的用量，该溶液的总的金属离子控制在1.0mol/l；

步骤二：凝胶的制备：

将步骤一获得的澄清溶液置于紫外灯下辐照48-72小时，然后静置24小时，最后置于65℃的烘箱中，直至烘成粘稠状黄色透明胶体；

步骤三：粉末的制备：

将步骤二得到的粘稠状黄色透明胶体倒入方舟中，然后置于400℃的马弗炉中热分解，获得灰色残留物；将该灰色残留物研磨后，继续在550℃的马弗炉中煅烧2小时，获得的粉末经过研磨，即可获得所需的碱土金属掺杂的钛酸铋纳米粉体。

步骤一（1）中，碱土金属硝酸盐为硝酸钙、硝酸钡或硝酸锶。

步骤二中，紫外灯的紫外线主波长为325nm。

如所述的碱土金属掺杂的纳米钛酸铋的制备方法制得的碱土金属掺杂的纳米钛酸铋粉体。

本发明具有以下优点：

1）通过前驱溶液中添加苯甲酰丙酮为络合剂，在溶液中形成了三维的网络状体系，有利于金属离子在溶胶中的分散，从而易于获得纳米粉体；

2）利用紫外辐照溶胶，使得络合物官能团处于激发态，即给予了络合物一定得能量，从而在后续的烧结过程中，无需太高的温度即可获得纳米粉体；