[发明专利]一种制备锆钛酸铅压电气凝胶的溶胶-溶剂热法

说明书

一种制备锆钛酸铅压电气凝胶的溶胶‑溶剂热法，属于功能材料技术领域。首先，本发明提供了一种不使用减压蒸馏装置而使用乙酰丙酮改性从而制得均匀透明的、常温常压下极难凝胶的稳定溶胶。其次，通过外加压力和升温使得常温常压环境下极难凝胶的溶胶在短时间内形成均匀半透明稳定的凝胶。再次，经过超临界干燥高效快速省材地制备出高质量PZT气凝胶。最后，通过对超临界干燥制备的PZT非晶气凝胶进行退火获得高强度的PZT晶化气凝胶。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种通过外加压力和升温的方法，即溶胶-溶剂热法快速制备PZT压电气凝胶的方法。

背景技术

PZT陶瓷、粉体、薄膜及气凝胶是一种典型的ABO₃型钙钛矿结构多功能材料，用于制备传感器、换能器及存储器等电子元器件，是一种很有发展前途的功能材料，广泛应用于电子、深海及航空航天等高技术领域。国内外对PZT陶瓷、粉体及薄膜进行了大量研究，并取得诸多重要进展。

PZT气凝胶不但继承了PZT陶瓷、粉体及薄膜的优异特性，而且赋予其密度小、比表面积大及灵敏度高等新颖性能。但是，由于PZT是三元金属化合物，存在不同步水解，极难通过常规制备工艺获得高质量的PZT气凝胶，因此，到目前为止有关PZT气凝胶的研究报道极少。其中，Peer团队主要在2002年以前发表了几篇有关用减压蒸馏法制备溶胶进而用超临界干燥制备PZT气凝胶的论文；2018年，电子科技大学报道了用改性溶胶-凝胶法及超临界干燥制备PZT气凝胶(201810579570.9，一种锆钛酸铅压电气凝胶的制备方法)。此外，很少见到有关PZT气凝胶的报道。

用溶胶-凝胶法及随后的超临界干燥制备PZT之类的气凝胶，必须克服制备溶胶和制备凝胶之间的矛盾。一方面，要制备出PZT气凝胶，首先必须制备均匀透明稳定的溶胶。由于铅、锆、钛三种元素存在不同步水解反应，需在前驱液中加入乙酰丙酮或冰醋酸等螯合剂或稳定剂才能获得均匀透明稳定的溶胶，但是，该溶胶难以在常温常压下凝胶。另一方面，要制备出PZT气凝胶，还必须获得具有三维网状结构的凝胶或湿凝胶，但是，经过乙酰丙酮、冰醋酸等稳定剂改性的溶胶通常难以获得所需凝胶。因此，必须通过创新来解决该矛盾。本发明在前期制备PZT气凝胶的基础上，通过溶胶改性和凝胶工艺创新，提出了一种克服上述矛盾的新方法即溶胶-溶剂热法，利用简单的实验装置代替复杂的减压分馏系统快速制备出高质量的溶胶和凝胶，进而高效快速省材地制备出高质量PZT气凝胶。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种制备锆钛酸铅压电气凝胶的溶胶-溶剂热法。本发明通过对化学动力学的研究来降低反应的阻力，即将制备出的透明稳定的PZT溶胶放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，通过加压力和升温方式快速制备高质量PZT凝胶，显著地缩短了PZT气凝胶的制备周期。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种制备锆钛酸铅压电气凝胶的溶胶-溶剂热法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃溶胶的制备：

按照Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃的化学计量比，配制得到稳定透明的PZT溶胶；

步骤2、PZT凝胶的制备：

将步骤1得到的PZT溶胶转移至聚四氟乙烯内衬中，然后放入反应釜中，在温度为100～240℃的条件下反应0.5～12h，反应结束后，将得到的湿凝胶在无水乙醇中浸泡4～24h，即可得到半透明均匀稳定的PZT凝胶；

步骤3、PZT气凝胶的制备：

将步骤2得到的PZT凝胶置于超临界干燥釜内，以二氧化碳或者乙醇作为干燥介质，进行超临界干燥，得到PZT气凝胶；

步骤4、PZT气凝胶的退火：