一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法

摘要

本发明公开了一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法,属于电子陶瓷材料技术领域。该方法采用氯化钡(BaCl2)作为钡盐，氧氯化锆(ZrOCl2)作为锆源，钛酸丁酯(C16H36O4Ti)作为钛源，乙二醇(C2H6O2)作为反应螯合剂，在高浓度碱性条件下，通过旋转蒸发反应控制晶体生长速度，成功制备出介孔锆钛酸钡纳米材料。本发明合成过程中以常见的无机盐和简单的试剂为主，成本低，简单易行且重复性很好，适合大规模生产，能够推进电子陶瓷材料商业化进程。

权利要求

1.一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，配制乙二醇溶液：称取0.776‑3.104g C2H6O2于烧杯中并加入20mL去离子水，搅拌至完全溶解得到乙二醇溶液；

步骤2，配制混合溶液：称取6.137‑24.549g BaCl 2于烧杯中并加入20‑80mL去离子水，搅拌至完全溶解，另称取4.279‑17.114g ZrOCl2，搅拌至完全溶解，得到混合溶液；

步骤3，配制钛盐溶液：量取4.25‑17mL C16H36O4Ti于烧杯中并加入10mL无水乙醇，充分搅拌均匀得到钛盐溶液；

步骤4，配制碱性溶液：称取12.5‑50g NaOH粉末，将称取的NaOH粉末少量多次加入到

20‑80mL去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；

步骤5，配制前躯体溶液：将步骤2得到的混合溶液、步骤3得到的钛盐溶液、步骤4得到的碱性溶液，依次加入步骤1得到乙二醇溶液，继续搅拌得到的白色浊液，即为锆钛酸钡前躯体溶液；

步骤6，旋转蒸发制备前驱体粉末：将步骤5得到的锆钛酸钡前驱体溶液移入茄形瓶中，发生旋转蒸发反应，离心洗涤后置于烘箱干燥，得到锆钛酸钡前驱体粉末；

步骤7，高温烧结制备锆钛酸钡纳米材料：将步骤6得到的锆钛酸钡前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到介孔锆钛酸钡纳米颗粒；

所述步骤6中旋转蒸发的条件为：先在142MPa、55℃下旋蒸30‑60min，再在72MPa、60℃下旋蒸60‑120min；离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥24‑48h即可得到锆钛酸钡前驱体粉末；

所述步骤7中的煅烧温度为800℃，保温时间为120min。

2.根据权利要求1所述的一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法，其特征在于，所述步骤1、2、3、4、5中搅拌过程使用磁力搅拌机进行，搅拌时间为10‑60min。

3.根据权利要求1所述的一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法，其特征在于，所述步骤4中NaOH粉末加入去离子水的过程分5‑10次加入。

说明书

一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子陶瓷材料技术领域，具体涉及一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法，利用旋转蒸发法制备锆钛酸钡纳米材料的方法。

背景技术

[0002] 随着科学技术的不断进步和微电子行业的的快速发展，对电子器件的制造和使用提出了更高的的要求和挑战。陶瓷电容器由于耐高温、抗腐蚀、介电常数高等优点，在微电子器件中具有重要地位。

[0003] 钛酸钡基陶瓷被誉为电子工业的支柱，研究学者通过对其进行掺杂和改性，使其在更宽泛的温度范围内应用。以钛酸钡为基的材料广泛应用于铁电、压电、介电材料的各个领域。随着电子元件向高精度、多功能以及小型化方向的高速发展，对陶瓷粉体的纯度、颗粒尺寸及成型特性提出了更高的要求。钛酸钡锶陶瓷在外界直流电场作用下，容易发生击4+ 4+
穿，不利于器件微型化，从而限制了钛酸钡锶陶瓷的应用。Zr 比Ti 具有更大的离子半径，
4+ 4+
所以Zr 取代Ti 后的化学结构更稳定。钛酸钡陶瓷在常温下为四方相结构，通过对钛酸钡掺杂Zr形成锆钛酸钡(BZT),可以极大地改善晶体结构并较大幅度调控材料的室温介电系数。

[0004] 本发明采用氯化钡(BaCl2)作为钡盐，氧氯化锆(ZrOCl2)作为锆源，钛酸丁酯(C16H36O4Ti)作为钛源，乙二醇(C2H6O2)作为反应螯合剂，在高浓度碱性条件下，通过旋转蒸发反应控制晶体生长速度，成功制备出介孔锆钛酸钡纳米材料。本发明方法合成工艺简单易行、合成温度低、可重复性好，合成产物纯度高，可用于陶瓷电容器等方面，应用前景广阔。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法，研究出一种制备工艺简单、成本低廉、产物无毒无害且高纯超细、组分均匀可控的锆钛酸钡陶瓷粉体。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1，配制乙二醇溶液：称取0.776‑3.104g C2H6O2于烧杯中并加入20mL去离子水，搅拌至完全溶解得到乙二醇溶液；

[0008] 步骤2，配制混合溶液：称取6.137‑24.549g BaCl2于烧杯中并加入20‑80mL去离子水，搅拌至完全溶解，另称取4.279‑17.114g ZrOCl2，搅拌至完全溶解，得到混合溶液；

[0009] 步骤3，配制钛盐溶液：量取4.25‑17mL C16H36O4Ti于烧杯中并加入10mL无水乙醇，充分搅拌均匀得到钛盐溶液；

[0010] 步骤4，配制碱性溶液：称取12.5‑50g NaOH粉末，将称取的NaOH粉末少量多次加入到20‑80mL去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；

[0011] 步骤5，配制前躯体溶液：将步骤2得到的混合溶液、步骤3得到的钛盐溶液、步骤4得到的碱性溶液，依次加入步骤1得到乙二醇溶液，继续搅拌得到的白色浊液，即为锆钛酸钡前躯体溶液；

[0012] 步骤6，旋转蒸发制备前驱体粉末：将步骤5得到的锆钛酸钡前驱体溶液移入茄形瓶中，发生旋转蒸发反应，离心洗涤后置于烘箱干燥，得到锆钛酸钡前驱体粉末；

[0013] 步骤7，高温烧结制备锆钛酸钡纳米材料：将步骤6得到的锆钛酸钡前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到介孔锆钛酸钡纳米颗粒。

[0014] 在上述技术方案中，所述步骤1、2、3、4、5中搅拌过程使用磁力搅拌机进行，搅拌时间为10‑60min。

[0015] 在上述技术方案中，所述步骤4中NaOH粉末加入去离子水的过程分5‑10次加入。

[0016] 在上述技术方案中，所述步骤6中旋转蒸发的条件为：先在142MPa、55℃下旋蒸30‑60min，再在72MPa、60℃下旋蒸60‑120min；离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥24‑48h即可得到锆钛酸钡前驱体粉末；

[0017] 在上述技术方案中，所述步骤7中的煅烧温度为800℃，保温时间为120min。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0019] 本发明提供的一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法，采用氯化钡(BaCl2)作为钡盐，氧氯化锆(ZrOCl2)作为锆源，钛酸丁酯(C16H36O4Ti)作为钛源，乙二醇(C2H6O2)作为反应螯合剂，在高浓度碱性条件下，通过旋转蒸发反应控制晶体生长速度，成功制备出介孔锆钛酸钡纳米材料。该方法成本低，简单易行且重复性很好，适合大规模生产，能够推进电子陶瓷材料商业化进程。

附图说明

[0020] 图1为本发明提供的一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的工艺流程图；

[0021] 图2为本发明实施例3制备得到的介孔锆钛酸钡纳米材料的X射线衍射图谱；

[0022] 图3为本发明实施例3制备得到的介孔锆钛酸钡纳米材料的扫描电镜图；

[0023] 图4为本发明实施例3制备得到的介孔锆钛酸钡纳米材料的透射电镜图。

具体实施方式

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 本发明提供一种技术方案：一种制备介孔锆钛酸钡陶瓷纳米颗粒的方法，如图1工艺流程图所示，具体操作步骤如下：

[0026] 步骤1，配制乙二醇溶液：称取0.776‑3.104g C2H6O2于烧杯中并加入20mL去离子水，使用磁力搅拌机搅拌10min，得到乙二醇溶液；

[0027] 步骤2，配制混合溶液：称取6.137‑24.549g BaCl2于烧杯中并加入20‑80mL去离子水，使用磁力搅拌机搅拌10‑30min，另称取4.279‑17.114g ZrOCl2，使用磁力搅拌机搅拌10‑30min，得到混合溶液；

[0028] 步骤3，配制钛盐溶液：量取4.25‑17mL C16H36O4Ti于烧杯中并加入10mL无水乙醇，使用磁力搅拌机搅拌10‑30min，得到钛盐溶液；

[0029] 步骤4，配制碱性溶液：称取12.5‑50g NaOH粉末，将称取的NaOH粉末分5‑10次加入到20‑80mL去离子水中，使用磁力搅拌机搅拌10‑30min，得到碱性溶液；

[0030] 步骤5，配制前躯体溶液：将步骤2得到的混合溶液、步骤3得到的钛盐溶液、步骤4得到的碱性溶液，依次加入步骤1得到乙二醇溶液，使用磁力搅拌机搅拌30‑60min，即为锆钛酸钡前躯体溶液；

[0031] 步骤6，旋转蒸发制备前驱体粉末：将步骤5得到的锆钛酸钡前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142MPa、55℃下旋蒸30‑60min，再在72MPa、60℃下旋蒸60‑120min；离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥24‑48h，即可得到锆钛酸钡前驱体粉末；

[0032] 步骤7，高温烧结制备锆钛酸钡纳米材料：将步骤6得到的锆钛酸钡前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，煅烧温度为800℃，保温时间为120min，即可得到介孔锆钛酸钡纳米颗粒。

[0033] 实施例1：

[0034] 步骤1，配制乙二醇溶液：称取0.776g C2H6O2于烧杯中并加入20mL去离子水，使用磁力搅拌机搅拌10min，得到乙二醇溶液；

[0035] 步骤2，配制混合溶液：称取6.137g BaCl2于烧杯中并加入20mL去离子水，使用磁力搅拌机搅拌10min，另称取4.279g ZrOCl2，使用磁力搅拌机搅拌10min，得到混合溶液；

[0036] 步骤3，配制钛盐溶液：量取4.25mL C16H36O4Ti于烧杯中并加入10mL无水乙醇，使用磁力搅拌机搅拌10min，得到钛盐溶液；

[0037] 步骤4，配制碱性溶液：称取12.5g NaOH粉末，将称取的NaOH粉末分5次加入到20mL去离子水中，使用磁力搅拌机搅拌10min，得到碱性溶液；

[0038] 步骤5，配制前躯体溶液：将步骤2得到的混合溶液、步骤3得到的钛盐溶液、步骤4得到的碱性溶液，依次加入步骤1得到乙二醇溶液，使用磁力搅拌机搅拌30min，即为锆钛酸钡前躯体溶液；

[0039] 步骤6，旋转蒸发制备前驱体粉末：将步骤5得到的锆钛酸钡前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142MPa、55℃下旋蒸30min，再在72MPa、60℃下旋蒸60min；离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥24h，即可得到锆钛酸钡前驱体粉末；

[0040] 步骤7，高温烧结制备锆钛酸钡纳米材料：将步骤6得到的锆钛酸钡前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，煅烧温度为800℃，保温时间为120min，即可得到介孔锆钛酸钡纳米颗粒。

[0041] 实施例2：

[0042] 步骤1，配制乙二醇溶液：称取1.552g C2H6O2于烧杯中并加入20mL去离子水，使用磁力搅拌机搅拌10min，得到乙二醇溶液；

[0043] 步骤2，配制混合溶液：称取12.275g BaCl2于烧杯中并加入40mL去离子水，使用磁力搅拌机搅拌20min，另称取8.557g ZrOCl2，使用磁力搅拌机搅拌20min，得到混合溶液；

[0044] 步骤3，配制钛盐溶液：量取8.5mL C16H36O4Ti于烧杯中并加入10mL无水乙醇，使用磁力搅拌机搅拌20min，得到钛盐溶液；

[0045] 步骤4，配制碱性溶液：称取25g NaOH粉末，将称取的NaOH粉末分8次加入到40mL去离子水中，使用磁力搅拌机搅拌20min，得到碱性溶液；

[0046] 步骤5，配制前躯体溶液：将步骤2得到的混合溶液、步骤3得到的钛盐溶液、步骤4得到的碱性溶液，依次加入步骤1得到乙二醇溶液，使用磁力搅拌机搅拌45min，即为锆钛酸钡前躯体溶液；

[0047] 步骤6，旋转蒸发制备前驱体粉末：将步骤5得到的锆钛酸钡前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142MPa、55℃下旋蒸45min，再在72MPa、60℃下旋蒸90min；离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥30h，即可得到锆钛酸钡前驱体粉末；

[0048] 步骤7，高温烧结制备锆钛酸钡纳米材料：将步骤6得到的锆钛酸钡前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，煅烧温度为800℃，保温时间为120min，即可得到介孔锆钛酸钡纳米颗粒。

[0049] 实施例3：

[0050] 步骤1，配制乙二醇溶液：称取3.104g C2H6O2于烧杯中并加入20mL去离子水，使用磁力搅拌机搅拌10min，得到乙二醇溶液；

[0051] 步骤2，配制混合溶液：称取24.549g BaCl2于烧杯中并加入80mL去离子水，使用磁力搅拌机搅拌30min，另称取17.114g ZrOCl2，使用磁力搅拌机搅拌30min，得到混合溶液；

[0052] 步骤3，配制钛盐溶液：量取17mL C16H36O4Ti于烧杯中并加入10mL无水乙醇，使用磁力搅拌机搅拌30min，得到钛盐溶液；

[0053] 步骤4，配制碱性溶液：称取50g NaOH粉末，将称取的NaOH粉末分10次加入到80mL去离子水中，使用磁力搅拌机搅拌30min，得到碱性溶液；

[0054] 步骤5，配制前躯体溶液：将步骤2得到的混合溶液、步骤3得到的钛盐溶液、步骤4得到的碱性溶液，依次加入步骤1得到乙二醇溶液，使用磁力搅拌机搅拌60min，即为锆钛酸钡前躯体溶液；

[0055] 步骤6，旋转蒸发制备前驱体粉末：将步骤5得到的锆钛酸钡前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142MPa、55℃下旋蒸60min，再在72MPa、60℃下旋蒸120min；离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥48h，即可得到锆钛酸钡前驱体粉末；

[0056] 步骤7，高温烧结制备锆钛酸钡纳米材料：将步骤6得到的锆钛酸钡前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，煅烧温度为800℃，保温时间为120min，即可得到介孔锆钛酸钡纳米材料。

[0057] 对本发明实施例3所制备的锆钛酸钡纳米材料进行X射线衍射分析(XRD)(如图2所示)，从图中可以看出纳米材料中出现了锆钛酸钡的特征峰并与其标准卡片相对应，衍射峰中的分叉是由于锆钛酸钡固溶体的形成。所制备的锆钛酸钡纳米材料结晶度较好，基本无杂质相。因此，可得出通过本发明方法成功制备出锆钛酸钡纳米材料的结论。

[0058] 利用扫描电镜(SEM)对本发明实施例3所制备的锆钛酸钡纳米材料的形貌进行分析(如图3所示)，可以看出锆钛酸钡纳米颗粒分布均匀，平均粒径为45nm，证明通过本发明的方法可以成功制备高纯超细、组分均匀可控的锆钛酸钡纳米材料的结论。

[0059] 利用透射电镜(SEM)对本发明实施例3所制备的锆钛酸钡纳米材料的形貌和结构进行分析(如图4所示)，可以看出锆钛酸钡纳米颗粒大小分布均匀且存在7nm左右的孔径，属于介孔尺度，证明通过本发明的方法可以成功制备高纯超细、组分均匀可控的介孔锆钛酸钡纳米材料的结论。

[0060] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。