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纳米钛酸钡制备方法研究进展

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2007年第26卷第12期 传感器与微系统(TrⅢlsducer and Microsystem Technologies) \, 综述与评论 P 纳米钛酸钡制备方法研究进展 赵雪松,李峻青,景晓燕,张密林 (哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院。黑龙江哈尔滨150001) 摘要:钛酸钡因其具有优越性能而被广泛应用于多层陶瓷电容器期、热敏电阻器、光电器件等电子元器 件。综述了近年来国内外制备纳米钛酸钡的主要技术和方法,重点介绍了溶胶一凝胶法、水热法,化学沉淀 法的原理和特点,并介绍了基于制备方法的改进和研究手段的拓宽与深入以及纳米钛酸钡的制备方法的 最新进展。 关键词:纳米钛酸钡;制备方法;进展 中圈分类号:TQ150.55 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2007)12-0001一o4 一 Progress[or preparation of nm-sized banUm titanate 一 - 一 - _’ ● ・●・ ・ ZHAO Xue—song,LI Jun—qing,JING Xiao—yan,ZHANG Mi—lin (College of Material Science&Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:Barium titanate as its excellent prope ̄ies call be widely used for multilays ceramic capacitors, thermistors,electro・optic devices and other electronic components.The preparation main techniques and methods of barium titanate are reviewed,and the principles and characteristics of the sol・gel,hydrothermal and chemical CO・ precipitation method are introduced emphatically.Due to the development of preparation technology and advance of ersearch ways,the developments of the preparation technology of nm・sized barium titnaate is presented. Key words:nm・sized barium titanate;preparation technique;advance 0引 言 钡的各金属元素的氧化物(TiO ,BaO)或它们的酸性盐 钛酸钡是电子陶瓷元器件的基础母体原料,被称为电 (TiO ,Ba(NO。) )混合、磨细,然后,在1100℃左右长时间 子陶瓷的支柱 J。由于它具有高的介电常数,优良的铁 煅烧,通过固相反应形成所需粉体。生产中多采用BaCOa 电 、压电‘ 、耐压和绝缘性能‘ ,被广泛地应用于体 和Ti0 。该法工艺简单、生产成本低、技术成熟,但此法 积小、容量大的微型电容器 、电子计算机记忆元件、压电 合成的BaTiO。粉体化学组分不均匀,颗粒较粗,粒径分布 陶瓷等 。随着电子陶瓷工业的迅速发展,对钛酸钡的需 范围广,约为0.1~10 p,m,粗细分布也不均匀,生产中易带 求越来越大,对于制备高纯超细钛酸钡粉体的要求也越来 入杂质,另外,需长时间球磨和较高的煅烧温度,耗时耗 越迫切。在这方面,日本、美国在制备钛酸钡粉体技术上处 能 。因此,大多数学者认为固相法在不久将来会被液相 于世界领先地位 ,而我国目前生产工艺还不完善,广泛 法取代。 采用的传统固相烧结法制得的粉体不仅粒度大,而且,粒径 2液相合成法 分布范围宽、纯度低、掺杂元素不均匀、波动性大、性能不稳 2.1溶胶一凝胶法 定,极大地影响了陶瓷的性能,所以,需要的高纯的纳米钛 近年来,用溶胶一凝胶法(so1.gel法)制备高纯超细的钛 酸钡绝大部分要依靠进口,在这种情况下,如何制备纳米钛 酸钡粉体越来越受到人们的重视。它的基本原理是 :易 酸钡粉体并实现产业化就成为我国科研工作者迫切要解决 水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与 的一个重要课题。本文就针对制备纳米钛酸钡粉体的主要 水发生反应,经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化;再经过干 方法和最新进展进行了综述。 燥等后处理工序除去含有化学吸附性的羟基、烷基及物理 1固相烧结法 吸附性的有机溶剂和水,就可制得所需的陶瓷粉体。文 高温固相烧结法合成钛酸钡粉体于1964年试验成功, 献[15]报道采用溶胶一凝胶法以醋酸钡和钛酸丁酯为原料 是一种最传统的制备方法 引。固相法是指将组成钛酸 制备具有四方相的纳米级BaTiO。纳米粉体:按照Ti:Ba等 收稿日期:2007一o4一l1 维普资讯 http://www.cqvip.com

2 传感器与微系统 第26卷 于1称取一定量的钛酸丁酯,室温下加入适量的冰醋酸和 无水乙醇,然后,在搅拌下滴加计量比的醋酸钡水溶液,搅 拌30min,形成均匀透明的混合溶胶,在4O~5O℃静置胶 凝,7O℃干燥得黄色BaTi03干凝胶粉体,将干凝胶粉体在 950 oC预烧2h得到粒径约60nm的BaTi03粉体。文献[16] 报道采用氢氧化钡和钛酸丁脂为原材料,乙二醇甲醚、甲醇 为溶剂,采用so1.gel法制备纳米钛酸钡粉体:在氢氧化钡 的乙二醇甲醚溶液中,加入钛酸丁脂的甲醇溶液,形成溶 胶;加水后,放置大约5min,形成均匀的凝胶;将溶胶干燥、 高温煅烧,研磨后即可得到纳米钛酸钡粉体。文献[17] 报道了用高纯 结晶的二异丙氧基钡Ba(OC。H ) 和分 馏的pq持戊氟基钛.rj(OC H ) 共同溶解在异丙醇或者 苯中,用3倍的去离子水进行水解、缩聚后,经干燥,即可 制得纯度达99.98%,平均粒径5~15 nm的BaTiO。超细 陶瓷粉体,其反应为Ba(OC。H7)2+Tj(OC Hl )4+4H20一 BaTiO3・H2O:4-2C3H7OH+4C5Hl1 OH,BaTi03。H2O BaTiO3+H2O。 文献[18]用Ba(OEt) 和Tj(OEt)4水解形成溶胶,溶 胶在8O℃处理1O~12h所得凝胶在750 oC煅烧可得到纳米 BaTiO 粉体,平均粒径为30 nm。通过进一步的研究,采用 该法制得了平均粒径仅为14 nm的BaTi03粉体。 溶胶一凝胶法制备的钛酸钡粉体粒度小、分布良好、纯 度高,且化学活性好。但其原料价格高,工艺条件不易控 制,反应中有机溶剂毒性强,煅烧时存在粉体团聚和颗粒增 长等问题,目前,难以实现大规模工业化。 2.2 水热法 水热合成是指在密封体系(如高压釜)中,以水为溶 剂,在一定的温度和水的自生压力下,原始混和物进行反应 的一种合成方法。水热法为各种前驱物的反应和结晶提供 了一个常压条件无法得到的特殊的物理、化学环境,粉体的 形成经历溶解、结晶过程。相对于其他粉体的制备方法,水 热法制备的粉体具有晶粒生长完整、粒径小、分布均匀、颗 粒团聚较轻等优点;尤其是制备陶瓷粉体无需高温煅烧处 理,避免了煅烧过程中造成的晶粒长大、缺陷形成和杂质的 引入,因此,所得的粉体具有较高的烧结活性 。 BaTiO。粉体的水热合成法就是将含分散的TiO 细粒 子的Ba(OH) 水溶液进行水热处理,以形成极细的结晶度 高、纯度高和尺寸分布均匀的粉体 。水热合成BaTiO 粉体的反应机理主要有2种:1)原位转变机理;2)溶解一沉 淀机理。Ba,Tj的前驱物性质如何决定它们在溶液中的溶 解状况,从而决定反应机理。对于两者的前驱物来说,一般 是钡前驱物的溶解度较大,能以溶液的形式参与反应,而钛 前驱物的溶解度较小,在反应体系中不能完全溶解,因而, 钛前驱物的性质决定了反应机理。原位转变机理是指一种 前驱物没有完全溶解,另一种前驱物溶解后形成离子,在没 溶解的前驱物粒子表面发生反应,生成产物晶粒。原位转 变机理假设没溶解的TiO 开始时与溶解的钡离子反应,产 生一层连续的BaTi03薄层把TiO 包裹住,其他的钡离子 必须扩散通过这一薄层才能与TiO 反应,使反应继续,直 至TiO 完全耗尽。产生的薄层可能是具有单晶或多晶本 质的致密层或多孔层。溶解一沉淀反应机理指前驱物溶解 生成水合离子或其他的络合离子,然后,在溶解的离子之间 反应,产生成核相变,生成BaTi03晶核,剩余的前驱物供晶 核的长大或形成新的晶核 。 Y. ̄E22 3报道了合成BaTi03的一种水热法:将3种物质 按摩尔比Ba(OH)2・8rt20:KOH:Ti(OR)4=O.2fi:1.00:0.256 依次加入由正丁醇和纯水等体积混合所组成的溶剂中,搅 拌)O.5 h后,将之注入水热釜;封好后,放入烘箱内,180℃ 保证10 h后,将液体倒出,过滤、洗涤、干燥,得到粒径约 30 nm的钛酸钡粉料。 2.3化学沉淀法 化学沉淀法是在金属盐类的水溶液中,控制适当的条 件使沉淀剂与金属离子反应,产生水合氧化物或难溶化合 物,使溶质转化为沉淀,然后,经分离、干燥或热分解而得到 纳米超微粒。韶】。化学沉淀法具有原料配比和工艺可控、制 得的粉体具有粒度细(一般在0,09-0、73 )、纯度较高、 Tj:Ba摩尔比较易控制在l:l左右、烧结活性高等特点,是 最早被广泛用于钛酸钡粉体的制备工艺 j。化学沉淀法 有草酸盐共沉淀法、双氧水共沉淀法和醇盐水解法等。 2.3.1草酸盐共沉淀法 草酸盐共沉淀法是将TiC1 和BaCl2的混合溶液在室 温下加入到草酸溶液中,并加入表面活性剂,不断搅拌,发 生沉淀反应生成草酸氧钛钡沉淀[BaTiO(C2O )・4I-I20, BaTiO。的前驱体],经过滤、洗涤、干燥、煅烧,制得BaTiO3 粉体¨ 。其反应为TiC14+BaC12+2H2C2O4+3H2O-+ BaTiO(C2O4)・2H2O+6HC1;BaTiO(C204)・2H20-+ 103+ 2H2O+2CO。 该法所得粉体杂质含量低、易掺杂,但粉体团聚较严 重,钡钛比难控制 。 2.3.2双氧水共沉淀法 将H2O2,NH。・H2O和H2TiO。放入反应器中,在冰浴 磁力搅拌下反应,再加入Ba(NO3)2溶液得到BaTiO。沉 淀;先烘干,再碾磨成粉体,在400—600℃热分解,得到 5O一100 nm的纳米晶体。该方法原料易得,产品纯度和粒 度都能达到纳米晶体BaTi03的要求,工艺简单。 文献[25]报道用工业制备钛白粉的中间廉价原料偏 钛酸(H TiO。),先用去离子水洗涤基中的s0:一和Fe¨,洗 维普资讯 http://www.cqvip.com

第12期 赵雪松,等:纳米钛酸钡制备方法研究进展 3 净后在80℃烘干,然后,称取29.4 g H2TiO3和247.3mL的 30%的H2O2和95.4 mL的25%NH3・H2O在1000 mL烧 过制备粗化的TiO 凝胶体,在pH=12-13、反应温度为90~ 100℃、反应时间为1-2 h下,钡离子向胶体网络迁移扩散, 并与胶体TiO 反应得到纳米级钛酸钡,该法具有过程简 单、易于控制、无需煅烧等巨大特点,制备的产物粒度为纳 米级(80 nm左右),由于纳米微粒尺寸小、比表面积大,使 处于表面的原子多,从而增大了纳米粒子的活性。李小兵 杯中,在冰浴的条件下搅拌反应,30 min后,得到桔黄色澄 清溶液(NH4)2TiO4,把0.6 tool・L 的500mL Ba(NO3) 水溶液滴加到桔黄色澄清溶液中。有淡黄色沉淀生成,将 沉淀抽滤、洗涤检验至无Ba“。然后,在105℃烘箱中干燥 3 h,得干燥粉末,把干燥粉末锻烧2 h,得白色纳米BaTi03 粉末。 3新方法进展 3.1借助技术手段 微波一水热法与传统水热法相比较,晶化时间短。这是 因为微波法属于体加热,加热速度快,快速达到结晶温度, 发生均相成核,凝胶快速溶解达到过饱和。付乌有等人 在60—160℃范围内,对BaTiO 的结晶条件研究发现:Ba一 .ri 的形成时间为2-3 arin,要达到完全晶化,最佳反应时 间为3-5 h。粉体的热失重分析表明:结晶产品中均含有 OH一,含量在1.5%-6.0%,且随着合成温度升高,OH一含 量降低,同时,c 一含量也降低,说明微波加热有利于去除 这些基团,减少Ba FiO 的品格缺陷和BaC03杂质的含量。 Palchik O等人 在采用微波辅助的同时,用有机溶剂(如 乙醇)代替水做溶剂,以BaC1 和Ti(Oi—Pr) 为原料合成 BaTi03,与传统水热法相比反应在液相中进行,降低了反应 温度和压力,缩短了时间,同时极大地阻止了团聚现象的发 生(在水溶液中易通过溶胶一凝胶机制发生)。郭立童等 人 研究了微波水热合成BaTiO。的机理,得出了物质的 介电常数越大,吸收微波的能力越强,在相同时间内的温升 越大。在微波场中,能量在体系内部直接转换,水和醇类都 有过热的现象出现。在过热区域内,局部温度过高,使得反 应更加容易进行,从而提高了反应速度。 Anuradha T V等人 考察了以多种钡盐和有机燃料 为原料低温燃烧合成BaTiO 粉体。结果表明:卡巴阱一醋 酸钡一氧钛体系不能有效生成BaTiO。粉体;一些反应 引入氨水和铵作为燃烧助剂,特别是以柠檬酸和甘氨 酸为燃料、钡和醋酸钡为钡盐时,可生成含有均匀微孔 的BaTiO 粉体,微孔平均大小10 nm。 超重力反应沉淀法(HGRP) 是一种制备钛酸钡的 全新方法,该法首次将直接沉淀法与超重力旋转填充床反 应器(RPB)结合起来,把直接沉淀法一步反应、无需煅烧的 优点和超重力反应器制备纳米粒子的优势结合,可以在 80℃、常压的条件下,制备出粒径为30—70 nm的纳米钛酸 钡粉体。 此外,还有超声波辅助法’。 、喷雾反应法 等。 3.2合成方法的结合使用 吴学庆等人 ∞ 采用凝胶一水热法制备钛酸钡粉体:通 等人 结合溶胶一凝胶法和水热法的优点,将溶胶处理引 入水热法中,采用改进的水热法在低温条件下合成了纯钙 钛矿结构钛酸钡纳米粉,并与水热法合成产物进行了适当 的比较。通过XRD,TEM,X射线荧光光谱(XRF),微分扫 描式量热法(DSC)以及热重分析(TGA)分析了BaTi03粉 体的结构和组成,并初步探讨了溶胶处理的作用。结果表 明:采用乙酰丙酮改性的钛酸四丁酯作为Ti源,可有效降 低BaTiO。纳米粉的水热合成温度;与常用水热法相比,采 用改进的水热法合成BaTiO 纳米粉的温度更低。溶胶处 理过程有利于水热合成温度的降低。 此外,还有水热电化学法∞ 、微乳焦化法 等。 4结束语 钛酸钡作为一种钙铁矿型的电子陶瓷材料,由于其优 良的压电和铁电性能而得到广泛的研究和应用。为了满足 电子工业上元件的微型化、集成化要求,制备超细、单分散 和具备精确化学计量的钛酸钡粉末己引起人们的高度重 视。纳米钛酸钡粉体的制备研究一直是科技领域的一个热 点,但在制备技术不断发展的同时,还有诸多问题亟待解 决:对合成BaTiO 纳米颗粒的过程机理深入的研究;对Ba— TiO。纳米颗粒合成装置的工程研究;现有纳米BaTi03制备 技术中具体工艺条件的研究仅停留在实验室阶段,对生产 规模扩大时将涉及到问题的研究;纳米BaTiO。对性能测试 和表征手段的改进等。 参考文献: [1] 王辉,崔斌,畅柱国,等,软化学法制备钛酸钡粉体的研 究进展[J].材料科学与工程学报,2003,21(5):774--776. [2j Schlom D G,Haeni J H,Lettieri J,et a1.Oxide nano—engineering using MBE[J].Materials Science and Engineering,2001(87): 282--285. [3] Rajendran V,Palanivelu N,Palanichamy P,et a1.Ultrasonic eharacterisation of ferroelectrie BaTiO3 doped lead bismuth oxide semiconducting glasses[J].Non Cryst Solids,2001(296):39— 49. [4] Morri ̄n F D,Sinclair D C,West A R.Characterization of lantha- Bum—doped barium titanate ceramics using impedance speetrosco- PY[J].Journal of the American Cearmic Society,2001,84(3): 维普资讯 http://www.cqvip.com

4 传感器与微系统 2001,37(3):44-47. 第26卷 53l--538. [5]Zuo R,Li L,Gui Z.Cofiirng behaviors between BaTiO3-modiifed silver-palladium electrode and Pb-based relaxor ferreloeetire ee- [22]王卫林,黎明.钛酸钡纳米粉体的制备及其常规分析[J]. 宜春学院学报,2003,25(4):9-11. ramies[J].Materilas Chemistry and Physics,2001(70):326— 329. [23]蒋登高,苏继灵,岳艳荣,等。纳米晶钛酸钡的制备技术及发 展[J].河南化工,1998(11):7-8. [24]Lee B W,Choi G S.Hydrothermal synthesis of barium titnatae powders fmm a co-precipitated precursor[J].Journal of Ceramic Processing Research,2003,4(3):151--154. [6]Yasuda N,Ohwa H,Kume M,et a1.Crystal growth and electrical properties of lead indium niobate lead titanate binary single crys- tal[J].Cryst Growth,2001(229):299—305. [7]Nunes M S J,Leite E R,Pontes F M,et a1.Microstructural and [25]汪国中,张立得.化学沉淀法制备BaTiO3粉体[J].化学研究 ferroelectric properties of PbZq Ti O3 thin films prepared by the polymeric precursor method[J].Materilas Letters,2001(49): 365-369. [8]Garg A,Agrawal D C.Effect of rare earth(Er,Gd,Eu,Nd and I 1 and bismuth additives on the mechanical and piezoelectirc properties of lead zirconate titanate ceramics[J].Materials Science and Engineering,2001(86):134--143. [9]Lee S,Son T,Yun J,et.a1.Preparation of BaTiO3 nanoparticles by combustion spray pyrolysis[J].Materials Letters,2004(58): 2932-2936. [1O]王春风,黎先财.纳米BaTiO3的制备及其研究现状[J].江西 化工,2002(4):28--31. [11]杨飞宇,燕青芝,赵浩峰,等.钛酸钡粉备方法研究进 展[J].粉末冶金工业,2003,13(6):27-31. [12]续京,雷霁霞.BaTiO3制备方法的探讨[J].宁夏工程技术, 2005,4(3):259--261. [13]Mafia T B,Marta B T,Vincenzo B,et a1.Solid—state synthesis of ultrafine BaTiO3 power from nanocry—stalline BaCO3 and TiO2[J].Amer Ceram Soc,2005,88(9):2374—2379. [14]关自斌,高仁喜,毛天舒,等.电子陶瓷用钛酸钡粉备技 术进展及市场供需述评[J].湿法冶金,1997(4):1--10. [15]王辉,俞鹏飞,田靓,等.BaTiO3纳米粉体及其陶瓷的制 备和介电性能[J].宝鸡文理学院学报,2005,25(1):29--31. [16]赵培峰,孙乐民.BaTiO3纳米粉体的一种制备技术及其影响 因素[J].河南科技大学学报,2003,24(1):8--11. [17]苏毅,扬亚玲,李国斌.钛酸钡陶瓷粉体的合成技术[J].化 工进展,2002(2):48--51. [18]Viswanasth R N,Ramasamy S.Preparation and ferro—electirc phase transition studies of nanoerystalline BaTiO3[J].Nanostruc— ture Materilas,1997,8(2):135--152. [19]沈志刚,陈建峰,刘方涛,等.纳米钛酸钡电子陶瓷粉体的制 备技术[J].化工进展,2002,21(1):34--36. [2O]贺海燕.超细BaTiO3粉备的研究进展[J].硅酸盐通报, 2006(1):76--80. [21]周海牛,庄志强.BaTiOs粉体的水热法合成[J].中国陶瓷, 与应用,1999,11(2):180--182. [26]付乌有,哈13巴.微波一水热法制备钛酸钡纳米晶[J].内蒙古 民族大学学报,2005,20(1):43—46. [27]Palehik O,Zhu J,Gedanken A.Microwave assisted preparation of binary oxide nanoparticles[J].Mater Chem,2000(1O):1251— 1254. [28]郭立童,罗宏杰,郭立芝.钛酸钡粉体的微波水热合成[J].中 国陶瓷,2005,41(1):12--14. [29]Anuradha T V,Ranganathan s,Tanu M,et a1.Combustion synthesis fonanostructured barium titanate[J].Scripta Mater,2001(44): 2237-2241. [3O]刘方涛,沈志刚,陈建峰,等.超重力反应沉淀法(HGRP)制备 纳米BaTiO3的研究[J].北京化工大学学报,2003,3O(1): 5--8. [31]Crum L A,Mason T J,Reisse J,et a1.Sonoehemistry and sonolu- minscence[M].Kluwer Publishers:Dordrecht,Nethedands,1999. [32]金宗莲,徐华蕊,朱盂钦,等.喷雾反应法制备电子陶瓷用钛 酸钡[J].中国粉体技术,2001,7(2):18—2O. [33]吴学庆,苏丽萍.凝胶一水热法制备纳米级钛酸钡粉末的研 究[J].材料科学与工艺,1999,7(2):105--108. [34]李小兵,田蔚,孙玉静.钛酸钡纳米粉的低温合成研究[J]. 稀有金属材料与工程,2004,33(1):79--82. [35]Yoo S E,Yoshimura M,Somiya S.Dieter perparation of BaTiO3 powders fmm titanium metal by anodie oxidation under hydrother- mal conditions[J].J Mater Sci Lett,1989(8):53O一532. [36]Yoshimura M,Yoo S E,Hayashi M.Preparation of BaTiO3 thin iflm by hydmthermal electrochemieal methed[J].Japanese Jour- nal of Applied Physics,1989,28(1 1):2007—2OO9. [37]Ueyama R,Harada M,Ueymaa T.Preparation of BaTiOa ultrafme particles by micro—emulsion charitng method[J].Journal foMate. dais Science:Materials in Electornies,2000,11(2):139—143. 作者简介: 赵雪松(1984一),女,黑龙江巴彦人,硕士研究生,主要从事压 电薄膜方面的研究。 

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