杜 嫻, 鄭 斌, 杜慧玲, 杜立飛

(西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

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水熱法合成鈦酸鉍鈉納米粉體綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計

杜 嫻, 鄭 斌, 杜慧玲, 杜立飛

(西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

采用水熱法合成鈦酸鉍鈉鉀0.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5TiO3(簡稱NKBT)的納米粉體,系統(tǒng)研究了礦化劑濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對鈦酸鉍鈉鉀的晶粒大小和相結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,最佳的立方體鈦酸鉍鈉鉀納米粉體的反應(yīng)條件:礦化劑濃度8 mol/L,反應(yīng)溫度200 ℃,反應(yīng)時間24 h。該實(shí)驗(yàn)有利于加深學(xué)生對功能電子材料的結(jié)構(gòu)與性能的了解,有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和提高其綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

電子材料； 綜合實(shí)驗(yàn)； 水熱法

傳統(tǒng)的壓電鐵電陶瓷,大多是含鉛陶瓷,含鉛壓電陶瓷在使用及廢棄后處理過程中都會造成環(huán)境污染且不利于人類健康。為此開展了無鉛壓電陶瓷的研究,希望得到不僅具有優(yōu)良實(shí)用性能且不會造成環(huán)境污染的無鉛陶瓷[1-2]。鈦酸鉍鈉Na0.5Bi0.5TiO3(縮寫為NBT)于1960年被Smolenskii發(fā)現(xiàn)[3],是一種A位復(fù)合取代的ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)弛豫鐵電體。正八面體通過形變降低晶格的對稱性,導(dǎo)致自發(fā)極化的產(chǎn)生,從而使晶體具有鐵電性,這種結(jié)構(gòu)受到國內(nèi)專家和相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注,開發(fā)潛力很大[4]。純NBT陶瓷的居里溫度為320℃,室溫下為鐵電相,具有燒結(jié)溫度低、介電常數(shù)小(240～340)及聲學(xué)性能好(Np=3 200 Hz·m)等優(yōu)點(diǎn),其剩余自發(fā)極化強(qiáng)度38μC/cm2,具有很強(qiáng)的鐵電性能[3]。與NBT結(jié)構(gòu)十分相似的KBT也是一種A位離子復(fù)合取代的鈣鈦礦型鐵電體,室溫下具有四方結(jié)構(gòu),居里點(diǎn)380 ℃,具有較低的矯頑電場(1.5×103 V/mm)[5]。NBT與KBT組成的二元體系室溫下具有三方、四方共存的準(zhǔn)同型相界(MPB),準(zhǔn)同型相界附近具有良好的電學(xué)性能[6-7]。

鈦酸鉍鈉常見的制備方法主要有固相法[8-10]、熔鹽法[11]、溶膠-凝膠法[12-15]、水熱法[16]等。水熱法與其他方法相比具有一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),粉體可真正實(shí)現(xiàn)低溫合成,減少了一些揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā),純度較高；可以直接從液相中得到粉體,不需要后期的熱處理,從而避免由粉體的硬團(tuán)聚和晶粒的異常長大[17-20]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 立方體鈦酸鉍鈉鉀納米粉體的制備

本次綜合實(shí)驗(yàn)的主要目的是制備出具有立方體鈦酸鉍鈉鉀納米粉體。學(xué)生預(yù)先對鈦酸鉍鈉的水熱法制備查閱相關(guān)文獻(xiàn),寫出文獻(xiàn)綜述,并制定合理的實(shí)驗(yàn)方案。每組選出研究組長,并通過PPT匯報對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行答辯,聘請相關(guān)的教師進(jìn)行討論,最終確立不同反應(yīng)條件的實(shí)驗(yàn)方案。

本實(shí)驗(yàn)采用水熱法制備位于準(zhǔn)同型相界的0.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5TiO3(NKBT)粉體。按化學(xué)計量比稱量，NaNO3、KNO3溶解于去離子水中,Bi(NO3)3溶解于乙酸中,Ti(OC4H9)4溶解于無水乙醇中,混合攪拌均勻；然后向混合溶液中滴加一定量的NaOH,磁力攪拌30 min形成均勻穩(wěn)定的溶液；將制備的溶液加入到水熱反應(yīng)釜中,在一定的溫度和時間下進(jìn)行反應(yīng)后自然冷卻至室溫；將反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水反復(fù)洗滌至中性,80 ℃烘干,得到NKBT粉體。

1.2 表征

利用日本島津XRD-7000X型X射線衍射分析儀對粉體進(jìn)行物相分析,利用德國蔡司(ZEISS)03-55型掃描電子顯微鏡對粉體的形貌進(jìn)行分析,利用日本電子JEM2010型透射電子顯微鏡觀察粉體的大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦化劑濃度的影響

(1) 礦化劑NaOH濃度對合成粉體的結(jié)晶度有著重要的影響。圖1為不同礦化劑濃度下使用水熱法合成的NKBT粉體的XRD圖譜,反應(yīng)溫度為200 ℃,反應(yīng)時間為24 h。從圖1中可以看出：當(dāng)?shù)V化劑濃度小于8 mol/L時,雖然已經(jīng)生成鈦酸鉍鈉鉀主晶相,但

粉體的結(jié)晶度比較差；當(dāng)?shù)V化劑濃度大于8 mol/L時,生成的衍射峰無其他相存在,合成后的粉體為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀；隨著礦化劑濃度的逐漸增大,衍射峰越來越尖銳,粉體的結(jié)晶度逐漸增強(qiáng),說明礦化劑濃度的增加有利于鈦酸鉍鈉鉀粉體的合成；當(dāng)?shù)V化劑濃度大于12 mol/L時,衍射峰的強(qiáng)度并沒有明顯的增加,說明在該濃度下,粉體已經(jīng)具有較高的結(jié)晶度。因此水熱法合成鈦酸鉍鈉鉀粉體的最佳礦化劑濃度為8～12 mol/L。

圖1 不同礦化劑濃度下合成NKBT粉體的XRD圖譜

圖2 溶解-結(jié)晶機(jī)理

(2) 在相同反應(yīng)條件下,礦化劑NaOH濃度的不同導(dǎo)致制備的粉體的形貌和大小有顯著不同。圖3為不同礦化劑濃度下200 ℃水熱反應(yīng)24 h的鈦酸鉍鈉鉀粉體的SEM圖。從圖3中可以看出：當(dāng)?shù)V化劑濃度為4 mol/L時,主要產(chǎn)物為無定型態(tài)的小晶粒,晶粒表面附著大量的膠狀物,這可能是由于礦化劑濃度低,反應(yīng)沒有進(jìn)行完全；當(dāng)?shù)V化劑濃度增大到8 mol/L時,晶粒開始發(fā)育長大,晶粒尺寸較小,結(jié)晶度不高,小晶粒聚集形成一個大的晶粒球；當(dāng)?shù)V化劑濃度增加到10 mol/L時,晶粒大小繼續(xù)增加,形成形狀規(guī)則晶粒尺寸100 nm以下表面光滑的立方結(jié)構(gòu)顆粒，可見礦化劑濃度對粉體晶粒的尺寸和形貌影響很大；當(dāng)?shù)V化劑的濃度的增加到12 mol/L,鈦酸鉍鈉鉀納米顆粒的尺寸就不再增加,這是由于鈦酸鉍鈉鉀的表面帶負(fù)電荷,隨著礦化劑濃度增加,礦化劑表面的負(fù)電荷增加,彼此之間相互排斥力增加,阻止它們形成更大的顆粒。

圖3 不同礦化劑濃度下所得NKBT的SEM圖

2.2 反應(yīng)溫度的影響

水熱反應(yīng)一般都是吸熱反應(yīng),升高溫度有利于反應(yīng)的進(jìn)行,水熱反應(yīng)溫度主要影響反應(yīng)進(jìn)行的程度及結(jié)晶速度,從而影響晶體的質(zhì)量與形貌。在水熱反應(yīng)中升高溫度,使體系處于高壓狀態(tài),這樣可以大大提高反應(yīng)物之間的相互擴(kuò)散速度,從而加快反應(yīng)的進(jìn)行。圖4是在礦化劑濃度為12 mol/L、反應(yīng)時間24 h條件下,不同反應(yīng)溫度下水熱合成產(chǎn)物的XRD圖譜(右圖為局部放大圖)。從圖4中可以看出：在水熱反應(yīng)中,反應(yīng)溫度對鈦酸鉍鈉鉀的相結(jié)構(gòu)有顯著影響；當(dāng)水熱溫度為100 ℃時,已經(jīng)生成純的鈦酸鉍鈉鉀,且隨溫度的升高,鈦酸鉍鈉鉀的衍射峰的強(qiáng)度逐漸增加，隨著溫度的升高,體系壓力增大,在2θ=32.5°處衍射峰的分裂程度逐漸減弱；當(dāng)反應(yīng)溫度為 120 ℃時,譜圖中32.5°處的衍射峰發(fā)生分裂,說明合成三方相鈦酸鉍鈉鉀粉體；當(dāng)溫度高于 160 ℃時,32.5°處衍射峰不發(fā)生分裂,說明合成了立方相鈦酸鉍鈉鉀粉體。隨著反應(yīng)溫度的升高有利于合成立方相鈦酸鋇粉體。隨著溫度的升高,可使液體的飽和蒸氣壓增大,在密封條件下,由于乙醇的加入使得醇水混合溶劑的共沸點(diǎn)降至78 ℃,使得蒸氣壓變的更高,促進(jìn)鈦酸鉍鈉鉀由三方相向立方相轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)反應(yīng)溫度低于140 ℃時,僅能合成三相鈦酸鋇粉體；在160 ℃基礎(chǔ)上增加反應(yīng)溫度,體系壓力增大,有利于鈦酸鉍鈉鉀由三方相向立方相的轉(zhuǎn)化。從32.5°左右的衍射峰可以看出,隨水熱溫度增加衍射峰右移,這可能是由于隨著水熱溫度升髙,四方相逐漸增多。

2.3 反應(yīng)時間的影響

通常在水熱條件下,反應(yīng)時間的延長有助于粉體的充分反應(yīng)進(jìn)而提高粉體的結(jié)晶性能。圖5是在礦化劑濃度為12 mol/L、反應(yīng)溫度為200 ℃時在不同的反應(yīng)時間下水熱法合成的鈦酸鉍鈉鉀粉體的XRD圖譜。從圖5中可以看出：反應(yīng)時間在8～36 h內(nèi)均生成單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀晶體；隨著反應(yīng)時間從8 h延長到24 h,衍射峰強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)且尖銳,說明粉體的結(jié)晶度不斷提高；但是,當(dāng)反應(yīng)時間進(jìn)一步延長到36 h時,粉體的衍射峰強(qiáng)度卻有所減弱和寬化,說明反應(yīng)時間過長反而不利于鈦酸鉍鈉鉀粉體的結(jié)晶，這可能是由于在后期晶粒中的離子受到晶體場力的作用,難以擴(kuò)散遷移的緣故。

圖4 不同反應(yīng)溫度下合成的NKBT粉體的XRD圖譜

圖5 不同反應(yīng)時間下合成NKBT粉體的XRD圖譜

圖6為水熱生長機(jī)制圖。首先是鈦與鈉、鉀、鉍的前驅(qū)物在密閉容器中在高溫高壓的條件下形成鈦的絡(luò)合物,結(jié)晶形成無定型的鈦酸鉍鈉鉀納米晶。小顆粒由于表面能增加而快速聚集,由小顆粒聚集成的松散的顆粒。最初主要作用是顆粒的定向聚集,當(dāng)反應(yīng)一定時間之后,顆粒獲得足夠的能量,開始晶粒的生長占主導(dǎo)地位,所以隨著時間的增加,顆粒的尺寸變大,且表面開始變得光滑。由于Ostwald熟化機(jī)制的作用,溶解度大的小顆粒在溶解度小的大顆粒上再次生長,大顆粒變得更大,小顆粒變得更小,顆粒尺寸也變得不均勻。

圖6 水熱生長機(jī)制圖

圖7反應(yīng)時間分別為12、24、48 h時合成的鈦酸鉍鈉鉀的SEM圖片。從圖7中可以看出,3個不同的反應(yīng)時間下合成的鈦酸鉍鈉鉀粉體中晶粒大小不同,結(jié)晶度不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：結(jié)晶度與反應(yīng)時間有關(guān),隨著反應(yīng)時間延長,結(jié)晶度提高,反應(yīng)時間從12 h增加到24 h時晶化趨于完全,得到直徑約100 nm的立方晶體結(jié)構(gòu)；當(dāng)反應(yīng)時間延長到36 h時出現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)。這與XRD的結(jié)果是一致的,證實(shí)反應(yīng)時間的適當(dāng)延長有利于晶體的生長,但時間過長反而不利于鈦酸鉍鈉鉀粉體晶化。顆粒減少而出現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu),是立方晶粒生長增厚的結(jié)果,棒狀結(jié)構(gòu)實(shí)際是立方晶粒不斷增厚的結(jié)果,隨著這種生長趨勢的繼續(xù),棒狀晶粒會逐漸增多、增長。

3 結(jié)論

(1) 本綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐表明,學(xué)生自己動手實(shí)驗(yàn)和思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與所學(xué)理論知識對照,提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的熱情和興趣。同時鍛煉了學(xué)生自主處理各種科研問題的能力,取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

(2) 實(shí)驗(yàn)分組采用水熱法合成鈦酸鉍鈉鉀納米粉體,研究了水熱法的制備工藝條件。利用XRD、SEM、TEM等測試手段對鈦酸鉍鈉鉀的物相、形貌進(jìn)行了表征,確定了最佳的制備立方體結(jié)構(gòu)鈦酸鉍鈉鉀納米粉體的最佳反應(yīng)條件:礦化劑濃度為8 mol/L,反應(yīng)溫度為200 ℃,反應(yīng)時間為24 h。礦化劑濃度、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度均是影響粉體合成的重要因素,粉體晶粒大小和形貌都隨反應(yīng)條件變化較大。

圖7 不同反應(yīng)時間下合成NKBT的SEM照片

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Design of a comprehensive experiment of synthesis of Na0.5K0.5Bi0.5TiO3nanopowders by using hydrothermal method

Du Xian, Zheng Bin, Du Huiling, Du Lifei

(School of Material Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an710054, China)

This paper introduces synthesis of sodium-potassium bismuth titanate 0.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5TiO3(NKBT) by using hydrothermal method. The preparation parameters including the concentrations of mineralizer, reaction temperature and reaction time are investigated to determine the influence of synthesizing variables on the optimal conditions and to realize the highest degree of crystallinity or smallest crystallite size. The results show that the optimum reaction conditions of the cubic structure NKBT nanopowder including that the concentrations of mineralizer is 8 mol/L; the reaction temperature is 200 ℃, and the reaction time is 24 h. Thus, students’ understanding of the structure and properties of electronic materials can be deepened by doing the experiment, which is beneficial to their cultivation of innovation comprehensive experimental ability.

electronic materials; comprehensive experiment; hydrothermal method

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.016

2016-04-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 51372197); 陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2014KCT-04); 西安科技大學(xué)培育基金項(xiàng)目(2014001)

杜嫻(1988—)，女，河南許昌，碩士，助理工程師，主要從事功能納米材料研究和無機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué).

E-mail：cherrydu33@163.com

TB34；G642.423

A

1002-4956(2016)11-0063-05