[发明专利]一种铈掺杂钛酸锶钡粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及钛酸锶钡粉体的制备方法，尤其是铈掺杂钛酸锶钡粉体的制备方法。

背景技术

钛酸锶钡(BST)是一类典型的ABO₃型钙钛矿结构多功能铁电材料，在铁电存储器、红外探测器、红外焦平面阵列、湿度传感器、微波器件、吸波材料、能源材料等领域具有广泛的应用前景。但是，除了吸波材料领域以外，其余领域均要求BST具有低的介电损耗，需通过A和/或B位的掺杂方才能实现其应用。BST粉体既可作为陶瓷和薄膜的中间产物，又可作为最终产品，对于BST的应用极为重要。铈(Ce)作为一种新型稀土掺杂可以抑制氧空位，减少漏电流密度，从而显著降低介电损耗，明显改善BST的其它性能。我国虽然在BST资源储备方面具有很大优势，但是高质量的BST原料仍然主要依赖进口，目前国内还没有铈掺杂BST粉体产品，所以，制备高质量铈掺杂BST粉体能加速实现BST在上述领域的应用。

溶胶-凝胶法是制备粉体的一种常见有效方法，能克服固相法粉体制备工艺所的产品纯度低、化学活性差、烧结温度高(约1350℃)、粒径大、产品一致性差等缺点，具有反应过程易控制、化学计量比精确、易于掺杂等优点。但是，用溶胶-凝胶法制备铈掺杂BST粉体必须克服以下局限性：第一，为节约成本，通常采用硝酸铈、氯化铈等廉价的强酸弱碱性铈盐作为掺杂剂，然而该类强酸弱碱性铈盐难溶于乙酸，在制备溶胶的过程中必须加入去离子水助溶，继而导致该类强酸弱碱性铈盐发生水解产生氢氧化铈沉淀，并且掺杂浓度越高水解越强烈，从而难以获得纯的铈掺杂BST溶胶。第二，即便通过加入少量去离子水得到均匀透明的低浓度铈掺杂BST溶胶，但是，当掺杂浓度高于1％时，铈掺杂BST溶胶在变为凝胶的过程中也因加热促进水解而生成氢氧化铈沉淀，不能获得纯的铈掺杂BST粉体，从而严重影响粉体的质量。文献(Materials Research Bulletin,42(2007)1602-1610)表明，在溶胶中添加柠檬酸可以制备纯BST粉体(未掺杂BST粉体)，但是该法依然不能制备高质量铈掺杂BST粉体，由于该法在制备溶胶的过程中必须添加去离子水作为助溶剂，无法避免铈离子的强烈水解而生成氢氧化铈沉淀。

发明内容

本发明提供一种铈掺杂钛酸锶钡粉体的制备方法，该方法采用柠檬酸做络合剂，通过无水体系的溶胶凝胶法制备铈掺杂钛酸锶钡粉体，能够克服现有铈掺杂钛酸锶钡粉体制备过程中的铈离子水解生成氢氧化铈沉淀从而影响产品纯度和综合介电性能的技术问题，所得铈掺杂钛酸锶钡粉体具有纯度高、综合介电性能优异、烧结温度低的特点，能够满足铁电存储器、红外探测器、微波器件等诸多领域的应用需要。

本发明技术方案如下：

一种铈掺杂钛酸锶钡粉体的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：配制无水BST溶胶。

首先根据Ba_1-xSr_xTiO₃(0<x<1)中Ba、Sr和Ti的原子摩尔比(1-x):x:1分别称取乙酸钡、乙酸锶和钛酸丁酯；然后将乙酸钡和乙酸锶溶于冰醋酸中，搅拌至完全溶解形成钡锶前驱液，同时将钛酸丁酯溶于乙酰丙酮中，搅拌至完全溶解形成钛前驱液；再将所得钡锶前驱液和钛前驱液混合后加入乙二醇甲醚，搅拌使其混合均匀并采用乙二醇甲醚定容得到摩尔浓度为0.2～0.4M的无水BST溶胶。

步骤2：配制柠檬酸和铈盐的无水混合前驱液。

首先按摩尔比1:1分别称取铈盐和柠檬酸；然后将铈盐溶于冰醋酸、乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶剂中，搅拌至完全溶解形成铈前驱液，同时将柠檬酸溶于乙二醇和无水乙醇的混合溶剂中，搅拌至完全溶解形成柠檬酸前驱液；再将所得铈前驱液和柠檬酸前驱液混合，搅拌均匀后得到柠檬酸和铈的无水混合前驱液。其中所述铈盐为硝酸铈、盐酸铈、碳酸铈或乙酸铈；所述乙二醇和无水乙醇的混合溶剂中，乙二醇和无水乙醇的体积比为4:1。

步骤3：配制铈掺杂的无水BST溶胶。

将步骤1所得无水BST溶胶和步骤2所得柠檬酸和铈盐的无水混合前驱液按Ce:Ti＝(0～5]:100的原子摩尔比进行混合，搅拌均匀后得到铈掺杂的无水BST溶胶。

步骤4：形成铈掺杂的BST凝胶。

将步骤3所得铈掺杂的无水BST溶胶烘干去除有机溶剂后得到铈掺杂的BST凝胶。

步骤5：研磨、烧结。

将步骤4所得铈掺杂的BST凝胶研磨成粉体后，在800～1000℃条件下恒温烧结3～4小时，自然冷却后得到最终的铈掺杂BST粉体。