一种钛酸锶钡晶体束材料的制备方法与流程

本发明涉及一种钛酸锶钡晶体束材料的制备方法，属于功能材料领域。

背景技术：

钛酸锶钡(Ba_xSr_1-xTiO₃，简称BST)是由BaTiO₃与SrTiO₃形成的固溶体。它不仅具有高介电常数、低介电损耗、居里温度随组成改变以及介电常数随电场的非线性变化等特点，而且具有良好的化学稳定性、热稳定性和绝缘性。BST材料是一种应用广泛的热敏材料、电容器材料和铁电压电材料，成为集成器件领域最广泛研究的材料之一。

钛酸锶钡材料的电学性能与材料的微观结构如晶粒尺寸及晶体形态紧密相关，晶粒愈细和致密愈高的BST材料介电特性愈好，材料具有优异的物化性能，在工业上广泛的应用价值有目共睹，随着日益成熟的微电子行业的发展，人们越来越多的重视和关注BST陶瓷材料。

现在关于钛酸锶钡材料的研究，集中在超细粉末、薄膜以及掺杂的方向，采用的制备方法有水热合成法、溶胶凝胶法、脉冲激光沉积技术、射频磁控溅射法以及放电等离子烧结等，而对于钛酸锶钡晶体的生长取向和结晶形态的研究还不多。而维度是决定纳米材料性质的关键因素之一，因此，对于材料的尺寸和形状的控制异常重要。与尺寸的控制相比，对晶体的形貌控制是一个更难的课题。钛酸锶钡晶体束是择优取向生长的结果，具有优异的各向异性，对于提高钛酸锶钡材料的压电性等具有重要意义，同时较一维晶须更易于生长成大的片状材料，从而解决了晶须定向排列这一难题。

本发明采用共沉淀法制备钛酸锶钡前驱体，然后将前驱体进行水热处理，进而得到一维钛酸锶钡晶体束。其中共沉淀法具有操作简单、对实验条件要求低、成分易控制、不引入杂质物质等优点；水热反应与传统的烧结相比，反应温度低，反应物在溶液中分散均匀，并伴随有高压，这样就可能得到在大气压下无法得到的产物。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钛酸锶钡晶体束材料的制备方法，该方法原理可靠，工艺简单，易于操作，可制备出具有优良的电磁性能和力学性能的钛酸锶钡晶体束材料。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

本发明采用共沉淀法制备出含有锐钛矿晶相的共沉淀物作为前驱体，然后将前驱体采用水热生长法制备出钛酸锶钡晶体束。

一种钛酸锶钡晶体束材料的制备方法，依次包括以下步骤：

1)称量钛酸丁酯，将其与过量的去离子水混合，控制水和钛酸丁酯的摩尔比在40-60：1之间，得到悬浮液；

2)称量乙酸钡和乙酸锶，使钡和锶的摩尔比为1:1，钛和钡的摩尔比为2:1，并用去离子水溶解，得到锶钡水溶液，总的溶液浓度为0.8-2mol/L；

3)将锶钡水溶液逐滴加入到悬浮液中，在滴加的过程中，不断搅拌悬浮液，得到沉淀；

4)沉淀经过过滤，并用去离子水清洗后，在70℃下干燥24h，作为水热前驱体；

5)将干燥后的沉淀研磨分散成细粉颗粒，称量3-5g放入容积为50ml的水热反应釜中，然后加入2mol/L的NaOH溶液作为矿化剂，填充度控制在70-90％之间，用玻璃棒搅拌均匀后，加盖密封，反应釜温度控制在160-200℃左右，保温时间为16-24h；

6)反应结束，取出水热产物，用去离子水清洗多次，并用六偏磷酸钠作为分散剂和超声波震荡器使产物分散，然后使用625目滤网过滤，去掉多余的粉体，得到相对纯净的钛酸锶钡晶体束材料。

本发明制备过程中，使用的是材质为316L不锈钢制成的高温高压水热反应釜。

本发明制备过程中，使用的原料皆是市售化学纯。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)制备出的钛酸锶钡晶体束具有优良的各向异性，晶体束比晶须更易于实现定向排列，易于产品化；

(2)制备方法采用共沉淀法制备前驱体，方法简单，易操作，易控制，成本较低，同时避免生成中间相；

(3)本发明采用共沉淀法与水热合成生长法结合的制备方法，分别利用其各自的优点，目前本领域很多材料的研究与制备都采用多种制备方法相结合来实现。

附图说明

图1是本发明得到的共沉淀产物的XRD图。

图2是本发明得到的共沉淀产物的SEM图。

图3是本发明得到的钛酸锶钡晶体束的XRD图。

图4是本发明得到的钛酸锶钡晶体束的SEM图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图进一步说明本发明。

实施例1

1)称量27.2289g钛酸丁酯(0.08mol)，然后量取60ml的去离子加入钛酸丁酯中，并不断搅拌，得到悬浮液；

2)称量10.2169g的乙酸钡(0.04mol)和8.5894g的乙酸锶(0.04mol)，并用40ml的去离子水溶解，得到锶钡水溶液；

3)将锶钡水溶液逐滴加入到悬浮液中，在滴加的过程中，使用磁力搅拌器搅拌悬浮液，搅拌速度为100r/min，搅拌30min，得到共沉淀；

4)使用慢速滤纸过滤沉淀，然后用去离子水清洗，再过滤，重复两次，将沉淀在70℃下干燥24h，产物作为水热前驱体，图1为沉淀的XRD图，图2为沉淀的SEM图；

5)前驱体研磨成粒径为5～20um粉末，称量5g放入容积为50ml的反应釜内衬中，然后加入2mol/L的NaOH溶液45ml，用玻璃棒搅拌均匀后，加盖密封；

6)反应釜加热至200℃，保温16h；

7)反应结束，取出水热产物，用去离子水清洗多次，并使用分散剂和超声波震荡器使产物分散，然后使用625目滤网过滤，去掉多余的粉体，得到相对纯净的晶体束，晶体束的物相XRD见图3，微观形貌如图4所示。

图1是本发明得到的共沉淀产物的XRD图，图中有多种晶相，其中锐钛矿TiO₂是主晶相之一，衍射峰的角度与标准卡片#21-1272的衍射角度相匹配。

图2是本发明中的共沉淀的SEM图，从图中可以清晰地观察到聚集在一起且取向排列一致的晶体束，长100～400nm，直径为20～80nm。

图3是本发明得到的钛酸锶钡晶体束的XRD图，从图中可以得出，其衍射角度与标准卡片#39-1395的衍射角度相符合，其(110)面衍射强度很大，并且各个衍射峰都很尖锐。

图4是本发明得到的钛酸锶钡晶体束的SEM图，从图中可以看出，晶体束径向长度在50～300um之间，轴向直径为4～8um，长径比在10～50之间，一束含10-100根晶体。

实施例2

1)称量27.2289g钛酸丁酯(0.08mol)，然后量取72ml的去离子加入钛酸丁酯中，并不断搅拌，得到悬浮液；

2)称量10.2169g的乙酸钡(0.04mol)和8.5894g的乙酸锶(0.04mol)，并用80ml的去离子水溶解，得到锶钡水溶液；

3)将锶钡水溶液逐滴加入到悬浮液中，在滴加的过程中，使用磁力搅拌器搅拌悬浮液，搅拌速度为100r/min，搅拌30min，得到共沉淀；

4)使用慢速滤纸过滤沉淀，然后用去离子水清洗，再过滤，重复两次，将沉淀在70℃下干燥24h，产物作为水热前驱体；

5)前驱体研磨成粒径为5～20um粉末，称量5g放入容积为50ml的反应釜内衬中，然后加入2mol/L的NaOH溶液40ml，用玻璃棒搅拌均匀后，加盖密封；

6)反应釜加热至180℃，保温20h；

7)反应结束，取出水热产物，用去离子水清洗多次，并使用分散剂和超声波震荡器使产物分散，然后使用625目滤网过滤，去掉多余的粉体，得到相对纯净的晶体束。

实施例3

1)称量27.2289g钛酸丁酯(0.08mol)，然后量取86ml的去离子水加入酞酸丁酯中，并不断搅拌，得到悬浮液；

2)称量10.2169g的乙酸钡(0.04mol)和8.5894g的乙酸锶(0.04mol)，并用100ml的去离子水溶解，得到锶钡水溶液；

3)将锶钡水溶液逐滴加入到悬浮液中，在滴加的过程中，使用磁力搅拌器搅拌悬浮液，搅拌速度为100r/min，搅拌30min，得到共沉淀；

4)使用慢速滤纸过滤沉淀，然后用去离子水清洗，再过滤，重复两次，将沉淀在70℃下干燥24h，产物作为水热前驱体；

5)前驱体研磨成粒径为5～20um粉末，称量5g放入容积为50ml的反应釜内衬中，然后加入2mol/L的NaOH溶液40ml，用玻璃棒搅拌均匀后，加盖密封；

6)反应釜加热至200℃，保温24h；

7)反应结束，取出水热产物，用去离子水清洗多次，并使用分散剂和超声波震荡器使产物分散，然后使用625目滤网过滤，去掉多余的粉体，得到相对纯净的晶体束。