[发明专利]水基溶胶凝胶法制备高纯度单分散钛酸钡纳米粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水基溶胶凝胶法制备高纯度单分散钛酸钡纳米粉体的方法。

背景技术

20世纪40年代初期，BaTiO₃陶瓷的铁电性在美国、日本和前苏联被同时发现。可以说，钛酸钡是最早发现的铁电陶瓷材料，同时也是目前研究得最深入和应用最广泛的铁电材料。钛酸钡被广泛应用于制作热敏电阻器、多层陶瓷电容器、电光器件等等。随着这些年微电子行业的迅猛发展，对于电子陶瓷元件的微型化、高精度、高可靠性和低成本提出了越来越高的要求，因此发明一种成本较低、工艺简单的方法合成超细晶、单分散、高纯度的纳米钛酸钡显得极为重要。

钛酸钡的制取方法主要分为两大类：固相法和液相法。固相法基本原理是设法将二氧化钛和碳酸钡混合均匀，然后进行高温煅烧，从而得到钛酸钡。但是这种方法得到的钛酸钡粒度分布难以控制，纯度也无法保证，从而极大地影响产品的性能。液相法有水热合成法、化学沉淀法和溶胶凝胶法等等。水热法是指在密闭的压力容器中在相对较高的压力和温度下制备纳米材料的一种方法。水热法制备的粉体具有粒度小、分布均匀，团聚较少的优点，且其原料便宜，易得到符合化学计量比并具有完整晶形的产物。粉体无需高温煅烧处理，避免了晶粒长大、缺陷的形成和杂质的引入，具有较高的烧结活性。但其往往需要较高的温度和较高压力，合成有一定的危险，而且设备投资大成本高，限制了该法的应用。化学沉淀法就是在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂，控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应生成陶瓷前驱体沉淀物，再将此沉淀物煅烧形成纳米粉体。沉淀法具有方法简单，材料成本低，设备投资少，在生产中可以添加掺杂元素，直接制得某种配方的粉体原料，非常适用于陶瓷元件的制造等优点。但该方法也存在一些缺点，如难以得到粒径很小的纳米粉体，产物经常是胶状物，颗粒容易团聚，粒径分布宽，需要一定的后处理，合成的粉体随着反应条件的微小变化，钛钡比波动较大，产品质量不稳定等等。溶胶-凝胶法是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的一种新工艺。基本原理是将金属醇盐或无机盐水解成溶胶，然后使溶胶凝胶化，再将凝胶干燥焙烧后得到纳米粉体。溶胶凝胶法工艺过程中不引入杂质粒子，所得粉体粒径小、纯度高、粒径分布窄，是一种很有前景的制备方法。但是常规的溶胶凝胶法也存在多个难以克服的缺点：原料价格昂贵、有机溶剂具有毒性以及高温热处理会使粉体快速团聚，且反应周期长，工艺条件不易控制，产量小，难以放大和工业化，限制了其大规模使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备超细晶、单分散、高纯度的钛酸钡纳米粉体的方法。

本发明所提供的制备钛酸钡纳米粉体的方法，包括下述步骤：

1)配制溶液A、溶液B及溶液B′；

所述溶液A是钛源与无水乙醇混合得到的钛源乙醇溶液，所述钛源为四氯化钛或者钛酸四丁酯；所述溶液B是聚乙二醇溶于去离子水中得到的聚乙二醇水溶液；所述溶液B′是聚乙二醇、醋酸和去离子水混合得到的聚乙二醇醋酸溶液；

2)所述钛源为四氯化钛，使所述溶液B处于搅拌状态下，将含四氯化钛的溶液A滴加到所述溶液B中；或所述钛源为钛酸四丁酯，使所述溶液B′处于搅拌状态下，将含钛酸四丁酯的溶液A滴加到所述溶液B′；滴加完毕后得到混合物；维持所述混合物处于搅拌状态，然后将所述混合物在60-90℃下继续搅拌0.5-5小时，得到TiO₂溶胶；向所述TiO₂溶胶中加入适量氨水并搅拌至完全沉淀，过滤收集固体产物，即得到TiO₂凝胶；

3)将所述TiO₂凝胶分散于水中，得到TiO₂凝胶分散液；向所述TiO₂凝胶分散液中加入钡源，并将混合后的物质在60-140℃下反应1-10小时，得到所述钛酸钡纳米粉体；所述钡源为Ba(OH)₂或Ba(CH₃COO)₂。

其中，步骤1)中所述钛源的乙醇溶液中钛源的浓度可为0.1-5mol/L。

步骤1)中所述聚乙二醇的重均分子量为2000-20000；所述溶液B或溶液B′中聚乙二醇的浓度可为0.1-1mol/L。

步骤2)中来自于所述溶液B或溶液B′中聚乙二醇的质量是以所述溶液A中的钛源质量计算得到的理论合成钛酸钡质量的1％-5％。