[发明专利]纯相铁酸铋微晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过快速冷却水热反应来制备纯相铁酸铋微晶的方法，属无机非金属材料制备工艺技术领域。

背景技术

多铁性材料，因为同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性(至少有其中两种性能)以及由此产生的耦合效应使其可以广泛用于换能器、传感器、敏感器、多态存储等高技术领域，引起科学家们广泛兴趣，并逐渐成为材料科学与工程领域的研究热点。

BiFeO₃是一种具有三角扭曲钙钛矿结构(属于R3C空间点群)的典型多铁性材料。室温下同时具有铁电有序(T_C＝1103K)和G型反铁磁有序(T_N＝643K)，是少数室温下同时具有铁电性和铁磁性的单相材料之一。然而，由于BiFeO₃的稳定温区较狭窄，采用传统的固相反应法很难避免其他杂相如Bi₂Fe₄O₉，Bi_2.5FeO₄₀的产生。同时，固相法合成BiFeO₃的温度较高，Bi易挥发，会导致化学计量比的偏移。因而，纯相BiFeO₃粉体的制备非常困难。此外，铁酸铋的G型反铁磁结构具有空间调制的螺旋周期为62nm±2nm，使得铁酸铋的宏观磁矩为零。但如果颗粒尺寸下降至纳米级，尤其是62nm以下，铁酸铋的螺旋周期将会被破坏，潜在的磁性将可以得到释放。湿化学法常用来制备纳米粉体，如溶胶-凝胶工艺和水热法等。与常规固相法相比，湿化学合成法具有反应温度低、各组分在分子水平上混合、产物均匀性好、纯度高、反应易控制及高效节能等优点，广泛用于高品质电子陶瓷粉体的制备。水热法和溶胶-凝胶法已经广泛用于钙矿结构锆钛酸铅和钛酸钡粉体等的制备。然而用湿化学工艺，尤其是水热法制备铁酸铋粉体的报道却并不多见。美国宾州州立大学Komarneni等最早报道了用微波水热法制备出铁酸铋粉体，但合成的铁酸铋晶粒达到5μm，远大于铁酸铋的螺旋周期。我们曾用水热法制备出亚微米量级的铁酸铋微晶，但粉末仍呈现反铁磁性。

水热合成的基本原理是密闭容器中，在系统本身形成的高温、高压下，氢氧化物在水中的溶解度大于相应氧化物的溶解度，氢氧化物溶入水中的同时析出氧化物，水热反应在100～200℃的低温下就可以完成。水热法制备的粉体直接晶化，不需高温烧结处理。通常水热工艺制备的粉体颗粒较大，改进水热工艺参数，控制颗粒的尺寸和晶形是获得具有铁磁性的铁酸铋微晶的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种以快速冷却水热工艺方法获得纯相的具有铁磁性的铁酸铋微晶的方法。

本发明一种纯相铁酸铋微晶的制备方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.矿化剂溶液的配制：采用分析纯的KOH及去离子水配制成4mol/L的KOH矿化剂溶液；

b.原料的配合：按铁酸铋的化学计量比称重并配料；使用分析纯的Fe(NO₃)₃·9H₂O和Bi(NO₃)₃·5H₂O作为原料，按照Fe∶Bi摩尔比1∶1称料后将两者混和，并滴加盐酸和去离子水，通过磁力搅拌，使原料完全溶解，成为均匀的混合液溶；

c.制备前驱体溶液：在上述混合溶液中，缓慢滴加前述的KOH矿化剂溶液，并使其pH值达到13；继续磁力搅拌0.5～1小时，之后将溶液超声振荡15分钟，得到褐色前驱体溶液；

d.水热合成：称取适量的所述前驱体溶液，将其转移至具有聚四氟乙烯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200℃烘箱内保温6小时，使其充分反应；

e.冷却反应釜：自烘箱内取出反应釜，将其放入冷却水中快速急冷至室温；之后开启反应釜，将溶液倒至盛有去离子水的烧杯中；

f.过滤和干燥：将上述溶液进行过滤，得到沉淀物；用冰醋酸和去离子水反复冲洗所得的沉淀物，然后在80℃的烘箱内干燥，即得到铁酸铋微晶。

本发明的主要特点是采用改进的水热工艺，在水热反应完成后采用快速冷却，抑制第二相的产生和颗粒长大，获得具有纯相钙钛矿结构和铁磁性的铁酸铋微晶。该铁磁性铁酸铋超细粉体可用来制造铁酸铋特种陶瓷。

本发明采用改进的水热工艺，通过反应产物的快速冷却，得到了尺寸在亚微米级的纯相铁酸铋。由于采用快速冷却，缩短了反应产物在较高温度下的停留时间，抑制了晶粒的长大和杂相的产生，而颗粒尺寸的下降诱发了铁酸铋的铁磁性。

附图说明