[发明专利]高通量杂化微波合成法制备多晶材料的方法

摘要

本发明公开了一种高通量杂化微波合成法制备多晶材料的方法，以高纯的物质粉末为原料，按摩尔配比在手套箱内称重，充分研磨混合后，利用压片机制成的圆片素坯，将反应物放置在圆柱形氧化铝坩埚中，以SiC做导热材料在微波炉内进行加热。本发明制备方法的优点是可以同时实现多个样品或同个样品不同成分点的高通量制备。利用微波加热，同时以SiC为导热材料，使样品在极短的时间内达到所需的反应温度，实现了快速经济高通量合成。本发明方法实现了材料高通量制备并且克服了样品制备过程中在反应温度和反应时间上存在的限制，实现了材料的高效合成。本发明制备的合成钨青铜系列AxWO₃（A=Na，Ca，B）和稀土钛化物RTiO₃（R是稀土元素）晶体，能广泛应用于磁性,超导及相关材料制备技术领域。

主权项

一种高通量杂化微波合成法制备多晶材料的方法，其特征在于，能制备A_xWO₃多晶材料和RTiO₃多晶材料中的至少任意一种材料或任意多种材料，具体如下：A_xWO₃多晶材料的制备方法，采用高通量杂化微波合成法，包括如下步骤：① 初始原料的准备和预成型工艺：a.采用纯的WO₃、Na₂WO₄·2H₂O 和W粉作为初始反应原料，根据下述反应方程式：Na₂WO₄+WO3+W=Na_xWO₃的反应物参加化学反应的比例对进行配比，在惰性气体环境下的手操箱中，将不同配比的反应原料用玛瑙研钵进行研磨和充分混合，得到混合原料粉体；b. 采用纯的CaO、WO₃和W粉作为初始反应原料，根据下述反应方程式：x CaO +WO₃+W = Ca_xWO₃的反应物参加化学反应的比例对进行配比，在惰性气体环境下的手操箱中，将不同配比的反应原料用玛瑙研钵进行研磨和充分混合，得到混合原料粉体；c. 采用无定形的B粉和纯的WO₃作为初始反应原料，根据下述反应方程式：x B + WO₃ = B_xWO₃的反应物参加化学反应的比例对进行配比，在惰性气体环境下的手操箱中，将不同配比的反应原料用玛瑙研钵进行研磨和充分混合，得到混合原料粉体；② 素坯成型：将在所述步骤a，b或c中充分混合的混合原料粉体分别放入模具中，然后在10~15 MPa的压力下等静压成型，制备出AxWO₃原料片素坯，其中A=Na、Ca或B；③ A_xWO₃多晶材料的高通量微波制备工艺：ⅰ. 采用微波加热系统和气氛控制系统，将在所述步骤②中制备的AxWO₃原料片素坯置于小号坩埚中，然后在小号坩埚内的AxWO₃原料片素坯上覆盖碳化硅粉末，再将置有AxWO₃原料片素坯的小号坩埚置于中号坩埚中，同样在两个坩埚间的空隙处填满碳化硅粉末，形成样品室单元，最后将置有AxWO₃原料片素坯的中号坩埚整齐排列在氧化铝反应舟中，形成样品室单元阵列，并将载有样品室单元阵列的氧化铝反应舟置于微波加热系统的微波炉腔内，采用气氛控制系统，能在高温固态反应过程中保持各样品室单元处于稳定的非氧化气氛环境下，使微波加热系统至少能在5 min内将反应温度提升至1000℃以上，微波加热系统控制的反应腔内气氛为惰性气体气氛，完成高温固态反应准备程序；ⅱ. 在所述步骤ⅰ中的准备程序完成后，接通微波加热系统的电源，设置加热时间和加热功率，使样品室单元内的反应物进行高温固态反应，在反应过程中，控制微波波长不低于122 mm，频率不低于2450 MHz，微波加热功率不低于800W，加热时间至少为15~25 min，反应完成后，使反应产物在反应腔内气氛中随炉降至室温，即得到高纯度的A_xWO₃多晶材料；RTiO₃多晶材料的制备方法，采用高通量杂化微波合成法，包括如下步骤：（1）初始原料的准备和预成型工艺：采用Ti₂O₃和纯度为3N以上的R₂O₃ 作为初始原料，式中R=Sm、Nd或La，将Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃与 Ti₂O₃按摩尔比为1:1的比例称量后，将各初始原料充分混合，在惰性气体环境下的手操箱中，将不同配比的反应原料用玛瑙研钵进行研磨和充分混合，得到混合原料粉体；（2）素坯成型：将在所述步骤（1）中充分混合的混合原料粉体分别放入模具中，然后在10~15 MPa的压力下等静压成型，制备出RTiO₃原料片素坯；（3）RTiO₃多晶材料的高通量微波制备工艺：Ⅰ.采用微波加热系统和气氛控制系统，将在所述步骤②中制备的RTiO₃原料片素坯置于小号坩埚中，然后在小号坩埚内的RTiO₃原料片素坯上覆盖碳化硅粉末，再将置有RTiO₃原料片素坯的小号坩埚置于中号坩埚中，同样在两个坩埚间的空隙处填满碳化硅粉末，形成样品室单元，最后将置有RTiO₃原料片素坯的中号坩埚整齐排列在氧化铝反应舟中，形成样品室单元阵列，并将载有样品室单元阵列的氧化铝反应舟置于微波加热系统的微波炉腔内，采用气氛控制系统，能在高温固态反应过程中保持各样品室单元处于稳定的非氧化气氛环境下，使微波加热系统至少能在5 min内将反应温度提升至1000℃以上，微波加热系统控制的反应腔内气氛为惰性气体气氛，完成高温固态反应准备程序；Ⅱ. 在所述步骤ⅰ中的准备程序完成后，接通微波加热系统的电源，设置加热时间和加热功率，使样品室单元内的反应物进行高温固态反应，在反应过程中，控制微波波长不低于122 mm，频率不低于2450 MHz，微波加热功率不低于800W，加热时间至少为15~25 min，反应完成后，使反应产物在反应腔内气氛中随炉降至室温，即得到高纯度的RTiO₃多晶材料。