水熱法制備BaTiO3納米粉體

湯黎輝，張群飛，馬金明，肖長江，栗正新

摘 要：本文旨在分析 BaTiO3納米粉體的合成方式及合成粉末的樣本表征，采取水熱法合成方法，合成得到鈦酸鋇。通過 X 射線衍射、掃描電子顯微鏡表征手段以及JADE、Origin等軟件的分析，得出其物相、晶體結(jié)構(gòu)、顆粒大小以及外觀形貌。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，使用水熱法合成方式，能夠制備出高品質(zhì)的鈦酸鋇納米粉末。結(jié)果表明：用水熱法得到了純的鈦酸鋇粉體，粉體的晶粒大小較均勻，晶粒尺寸約為39.51nm，粉體的晶體結(jié)構(gòu)為四方結(jié)構(gòu)，形貌為類球形。

關(guān)鍵詞：鈦酸鋇；納米粉體；水熱法；晶體結(jié)構(gòu)；晶粒尺寸

1 前言

由于具有出色的介電性能，鈦酸鋇（BaTiO3）已經(jīng)成功地發(fā)展出了各種電子器件，如多層陶瓷電容器、正溫度系數(shù)熱敏電阻、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器、聲吶傳感器、壓電換能器以及各種光電子元件，從而在電子領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，并且已經(jīng)成為電子陶瓷領(lǐng)域的主要原材料[1，2]。

目前制備鈦酸鋇粉體最常用的方法主要有固相法、共沉淀法、微乳液合成方法、水解溶膠-凝膠法等。固相法作為一種傳統(tǒng)的合成工藝，具有制備產(chǎn)率高，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是，這種合成方法在制備過程中存在合成溫度高、合成的粉體顆粒粗大、較高的雜質(zhì)含量以及組分均勻度不高等缺點(diǎn)，一般作為低端產(chǎn)品合成時(shí)的首選工藝。共沉淀法制備鈦酸鋇粉體難以形成均勻的沉淀物，而且顆粒容易團(tuán)聚，粒徑分布寬，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定[3]。微乳液合成方法制備產(chǎn)物需要大量助劑、改性劑和有機(jī)劑，導(dǎo)致成本較高，而且還易引入雜質(zhì)且產(chǎn)能有限，所以該合成方法目前還沒有被廣泛的使用，僅僅處于實(shí)驗(yàn)室研究中[4]。凝膠法雖然可行，但由于技術(shù)復(fù)雜、時(shí)間較久，使得它的水解效果不易掌握。相比之下，水熱法更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成鈦酸鋇的生產(chǎn)，同時(shí)也能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量， 能夠滿足更嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[5]。

水熱法合成粉體，能夠在低溫水溶液中得到分散性好的 BaTiO3 超細(xì)粉體，合成的粉體晶粒發(fā)育比較完整，并且在水熱法實(shí)驗(yàn)過程中，不需要經(jīng)歷高溫的煅燒以及后期的球磨過程，進(jìn)而可以避免了雜質(zhì)的引入和球磨對粉體結(jié)構(gòu)的破壞，從而有效地消除了雜質(zhì)及其他形態(tài)問題，故文章實(shí)驗(yàn)采用水熱法制備BaTiO3納米粉體，并對其進(jìn)行深入研究。

2.實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)過程

首先稱取0.02mol的鈦酸四丁酯Ti（OC4H9）4 ，用吸管將其緩慢添加并溶解于醇溶液（25ml）中，然后采用上海尚儀磁力攪拌器，型號SN-MS-H，對溶解的溶液進(jìn)行磁力攪拌，時(shí)長30分鐘，攪拌完成后，得到鈦的前驅(qū)體溶液。再稱取0.024mol的Ba（OH）2粉末， 將其溶解于40mL的去離子水中，同樣采用上述磁力攪拌儀器，磁力攪拌，直至粉末完全溶解，繼續(xù)攪拌2分鐘，得到鋇的前驅(qū)體溶液。上述完成后，用滴管取鈦的前驅(qū)體溶液緩慢滴加至鋇的前驅(qū)體溶液中，并且在整個(gè)滴加過程中要一直保持磁力攪拌器處于攪拌工作狀態(tài)，滴加完成后，繼續(xù)攪拌5分鐘，使混合進(jìn)行的比較完全。兩份前驅(qū)體混合均勻后，將混合溶液倒入100mL聚四氟乙烯材質(zhì)內(nèi)膽中，這里需要注意內(nèi)膽的填充度不能超過80%，然后對內(nèi)膽進(jìn)行密封處理，將高壓反應(yīng)釜擰緊，然后垂直放入恒溫干燥箱，設(shè)定恒溫箱溫度為160℃，恒溫時(shí)間為24h。24h后，反應(yīng)完成，此時(shí)去除掉上層的清液，得到沉淀物，然后分別取5%醋酸溶液、水、無水乙醇依次反復(fù)清洗并對清洗液進(jìn)行離心處理，最后得到洗好的樣品。將樣品裝入蒸發(fā)皿中，再次放入恒溫干燥箱內(nèi)，設(shè)置設(shè)定恒溫箱溫度為60℃，恒溫時(shí)間為24h，得到干燥的樣品，研磨過篩后，就得到鈦酸鋇樣品的白色粉末。裝入密封袋中，等待下一步的檢測。其整個(gè)BaTiO3納米粉體制作流程如圖1。

2.2樣品表征

通過X射線衍射儀（D8 Advance，Bruker，Cu-Kα，λ=0.15406nm）對制備粉體樣品的物相特征進(jìn)行掃描分析，掃描過程中，掃描角度為10°-90°。通過掃描電子顯微鏡分析儀（JEOL JSM- 6010）對制備粉末樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.結(jié)果與討論

3.1樣品的晶體結(jié)構(gòu)分析

對制備的BaTiO3粉體進(jìn)行XRD掃描分析，經(jīng)過MDI JADE軟件和Origin軟件分析得到如圖2所示的BaTiO3粉體XRD圖。從圖2中可以看出：BaTiO3粉體XRD中的峰很尖銳，且強(qiáng)度較高，峰型顯示的很好，說明本次所制備的BaTiO3粉末樣品的結(jié)晶性好，并且經(jīng)過對比PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片NO：79-2263，可以確定此次水熱法制備的樣品為純的BaTiO3粉末，晶體結(jié)構(gòu)為四方相，沒有其他雜相。

為了進(jìn)一步得出合成所得BaTiO3粉體的晶粒尺寸，再次采用步進(jìn)掃描的方式對樣品進(jìn)行了XRD掃描分析。掃描分析2θ在38°-40°范圍內(nèi)，掃描速度為1°/min，對掃描結(jié)果進(jìn)行擬合得到如圖3所示。從R平方數(shù)值0.98615可以看出，擬合度很高，峰值擬合很成功。利用 Debye - Scheme公式來計(jì)算，峰值β=0.2132，θ=38.87227，計(jì)算得出晶粒尺寸D=39.51nm。由謝樂公式計(jì)算可知晶粒尺寸約為39.51nm。

3.2樣品的微觀形貌分析

水熱法制備的BaTiO3納米粉體的SEM如圖4所示。從圖4中可以看出：在標(biāo)尺下，很明顯可以看出，晶粒尺寸在納米范圍。并且粉體顆粒整體分散性好，顆粒與顆粒之間的堆積密實(shí)，晶粒形貌呈現(xiàn)類球形，為了進(jìn)一步得到晶粒尺寸，對圖4進(jìn)行了粒徑分布計(jì)算，利用Nano Measurer1.2軟件對粒徑進(jìn)行分析，隨機(jī)選取了30個(gè)晶粒進(jìn)行測量得出如表1所列數(shù)據(jù)。

分析表1數(shù)據(jù)，可以看出，33.4-55.4nm粒徑的顆粒占比達(dá)到了76.67%，粒徑尺寸在40nm左右的數(shù)量占比很大，說明此次合成的粉體，粒徑均勻性很好，從整體數(shù)據(jù)看，最大粒徑為72.89nm，最小粒徑為30.13nm，平均粒徑為42.48nm。與謝樂公式計(jì)算粒徑D=39.51nm，數(shù)值相近。故粒徑尺寸結(jié)果可采用D=39.51nm的結(jié)論。

4.結(jié)論

通過采用水熱法合成方式，成功地制備出鈦酸鋇納米粉末，經(jīng)X射線衍射和掃描電子顯微鏡對制備的納米粉體進(jìn)行表征。BaTiO3粉體XRD峰尖銳且強(qiáng)度高，沒有雜相，形貌呈類球形狀，晶體結(jié)構(gòu)為四方結(jié)構(gòu)，晶粒大小較均勻，晶粒尺寸約為39.51nm。

參考文獻(xiàn)

[1].Singh P K， Cochrane S， Liu W T，et al. High - frequency Response of Capacitors Fabricated from Fine Grain BaTiO3 Thin Films[J].Applied Physics Letters，1995，66（26）：3683-3685．

[2].Cai W，Rao T，Wang A，et al.A Simple and Controllable Hydrothermal Route for the Synthesis of Monodispersed Cube-like Barium Titanate Nanocrystals[J].Ceramics International，2015，41（3）：4514-4522．

[3].凌 云，江偉輝，劉健敏，等.非水解溶膠-凝膠法低溫合成鈦酸鋇粉體[J].人工晶體學(xué)報(bào).2016，45（12）：2801-2806.

[4].章秋晨.微波固相合法成納米酸鋇粉及性能研究[D]，桂林：桂林電子科技大學(xué)，2020.

[5].邵志鵬，江偉輝，馮果，等. 沉淀法和NHSG法制備鈦酸鋇納米粉體的對比研究[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2016.37（1）：44-48.