微波—水熱法合成納米鈦酸鋇原料

陳艦，楊浩南

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微波—水熱法合成納米鈦酸鋇原料

陳艦，楊浩南

（東莞理工學院 化學與環(huán)境工程學院，廣東 東莞 523808）

結(jié)合水熱法和微波加熱的優(yōu)點，設(shè)計了三因素三水平的正交試驗方案，采用微波—水熱法合成納米鈦酸鋇（BaTiO3）原料. 用X射線衍射儀（XRD）、激光粒度分析儀、掃描電子顯微鏡（SEM）對合成的BaTiO3原料進行檢測和表征，用直觀分析法處理結(jié)果，得出BaTiO3納米原料的最佳合成工藝：反應溫度70 ℃，反應時間30 min，反應物濃度0.2 mol/L.

微波—水熱法；納米BaTiO3原料；激光粒度分析

鈦酸鋇（BaTiO3），又稱偏鈦酸鋇，是一種具有良好鐵電性和很強介電性的精細化工產(chǎn)品. BaTiO3原料作為電子工業(yè)和特種陶瓷等高新技術(shù)的重要基礎(chǔ)原料，主要應用于多層陶瓷電容器（MLCC）、電子計算機的記憶元件、晶界陶瓷電容器、正溫度系數(shù)熱敏陶瓷（PSTR）、半導體陶瓷等. 電子產(chǎn)品的快速增長，使得對具有更小粒徑、更高純度、形貌均勻的BaTiO3原料的需求量越來越大.

1 實驗部分

1.1 試劑與主要儀器

微波固相合成儀：T640，萊伯泰科有限公司；恒溫磁力攪拌器：81-2，上海司樂儀器廠；電子天平：FA2004，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；電熱鼓風恒溫干燥箱：101-1A，上海訊能電熱設(shè)備有限公司；X射線衍射儀：UItima IV，日本理學株式會社；激光粒度分析儀：RISE-2008，濟南潤之科技有限公司；掃描電子顯微鏡：JSM-7600F，日本電子株式會社.

1.2 實驗操作

3）反應結(jié)束后，將反應液抽濾，再依次用稀醋酸酸洗、水洗、醇洗. 所得固體用烘箱在85℃下烘6 h，得到白色原料.

5）X射線衍射儀實驗條件：Cu靶，工作電壓40 kV，工作電流40 mA.

2 結(jié)果與分析

控制鋇鈦物質(zhì)的量之比為1:1，溶液pH≥13，干燥時間和干燥溫度（85℃）一定，做9組實驗，用X射線衍射儀對合成原料進行晶相檢測，用激光粒度分析儀測量粉體顆粒的粒度，用掃描電子顯微鏡掃描合成BaTiO3原料的表面形貌，用直觀分析法對樣品進行分析，找出最佳工藝參數(shù).

2.1 實驗正交方案

綜合郭立童[3]、趙艷敏[5]等人的文獻，本文選擇反應溫度、反應時間、反應物濃度作為正交試驗方案的三個因素，具體見表1.

表1 試驗因素水平

2.2 9個產(chǎn)物樣品的晶面間距

BaTiO3原料燒結(jié)后活性更高，其介電性能和壓電性能也大大提高. 晶面間距是衡量BaTiO3原料是否合格的重要指標，晶面間距小符合BaTiO3原料高純細的追求. 晶面間距越小，說明BaTiO3晶體分布越窄. 通過XRD譜圖生成的報告可以得到9個合成樣品晶體（110）面的晶面間距，見表2.

表2 樣品的晶面間距

從表3反應條件的極差值可以看出，對晶面間距而言，反應溫度的極差最大，其次是反應物濃度，最次是反應時間. 所以，微波—水熱法合成BaTiO3原料的最佳工藝條件：反應溫度70 ℃，反應時間30 min，反應物濃度0.2 mol/L.

表3 極差分析

2.3 最佳工藝產(chǎn)品的檢驗

2.3.1 粒度

本文采用激光粒度分析儀測量微波—水熱法在最佳工藝條件下合成原料的粉體顆粒粒度（圖1），并與市售標準品的粉體顆粒粒度（圖2）對比.

圖1 最佳工藝合成粉體的粒度分布圖

圖2 市售標準品粒度分布圖

從圖1和圖2可以看出：1）微波—水熱法最佳工藝條件下合成的BaTiO3粉體平均顆粒粒度為0.967 μm，比市售標準品的平均顆粒粒度（2.337 μm）小2.4倍左右. 2）微波—水熱法最佳工藝條件下合成的BaTiO3粉體的粒徑分布比市售標準品的分布寬，說明合成的樣品擁有更細的粒徑，但是粒徑大小分布的均勻性還有待提高.

2.3.2 表面形貌和晶體尺寸

SEM常用來觀察樣品表面形貌（斷口等），本文采用SEM來測試最佳工藝條件下合成粉體的表面形貌和晶體尺寸，并與其他條件下的2個樣品作對比，具體見圖3、4、5.

圖3的晶體為梭子形，原料的平均粒徑在0.74 μm左右，形貌模糊，圖形不規(guī)則，結(jié)晶純度低. 圖4的晶體中出現(xiàn)大圓球，有明顯的團聚現(xiàn)象，表明原料質(zhì)量較差. 圖5的晶體形狀為球形，顆粒分布均勻，沒有團聚現(xiàn)象，晶體直徑平均在50 nm，其表面形貌和晶體尺寸比較理想.

圖3 反應溫度70℃，反應時間10 min，反應物濃度0.3 mol/L的SEM圖

圖4 反應溫度70℃，反應時間40 min，反應物濃度0.4 mol/L的SEM圖

圖5 最佳工藝粉體的SEM圖

2.4 討論

相比傳統(tǒng)工藝，微波—水熱法顯示出了明顯的優(yōu)勢，具體見表4.

表4 不同工藝的粒徑比較

3 結(jié)論

本實驗采用微波—水熱法合成納米BaTiO3原料的最佳工藝參數(shù)為：反應溫度70 ℃，反應時間30 min，反應物濃度0.2 mol/L. 相比于傳統(tǒng)工藝，微波—水熱法更具優(yōu)勢，如加熱速度快、反應溫度低、反應時間短、反應條件更容易達到，合成產(chǎn)物的粒徑更細、分散性好、表面形貌更均勻.

[1] 馬麥霞，張光霞. 微波水熱合成Mn摻雜BaTiO3納米原料[J]. 硅酸鹽通報，2010, 29(1): 108.

[2] 羅昆鵬，微波水熱合成鈦酸鋇納米原料[D]. 西安：西安科技大學，2009: 17-44.

[3] 郭立童，羅宏杰，郭立芝. 鈦酸鋇粉體的微波水熱合成[J]. 中國陶瓷，2005, 41(1): 13.

[4] 吳東輝，施新宇，張海軍. 草酸鹽共沉淀法制備鈦酸鋇粉體研究[J]. 壓電與聲光，2009, 31(2): 252.

[5] 趙艷敏，馮繡麗，王公應. 超細鈦酸鋇粉體的水熱合成[J]. 合成化學，2005, 13(3): 301-303.

[6] 趙艷敏，王越，王公應. 納米鈦酸鋇的水熱合成進展[J]. 合成化學，2003(4): 300-306.

[7] 全學軍，李大成. 草酸絡(luò)合物沉淀法制備超細鈦酸鋇粉的研究[J]. 四川大學學報，2001, 33(4): 80-81.

[8] 續(xù)京，張炎. 化學沉淀法制備納米鈦酸鋇粉體[J]. 廣西大學學報：自然科學版，2011(3): 445-449.

[責任編輯：熊玉濤]

Nano-BaTiO3Raw Materials Synthesized by Microwave-hydrothermal Method

CHEN Jian, YANG Hao-nan

(College of Chemistry and Environmental Engineering, Dongguan University of Technology,Dongguan 523808, China)

With the advantages of the hydrothermal method and microwave heating method, Barium Titanium Oxide (BaTiO3) raw materials are synthesized by using microwave-hydrothermal method. Threefactors with three levelsare considered in the experiment, thesyntheticpowders are tested and characterized via usingX-raydiffraction(XRD), laser particle size analysis instrument and scanning electronmicroscopy (SEM). Intuitiveanalysis is adopted to detect the experiment results, theoptimal parameters for Barium Titanium Oxide (BaTiO3) raw materials synthesizing is concluded：reaction temperature is 70 ℃，reaction time is 30 min, reactant concentration is 0.2 mol/L.

microwave-hydrothermal method; nano-BaTiO3 raw materials; laser particle size analysis

1006-7302（2013）01-0069-06

O611.4

A

2012-11-05

陳艦（1955—），男，四川自貢人，副教授，主要從事無機非金屬材料的研究.