專利名稱：鋯鈦酸鉛納米粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種鋯鈦酸鉛納米粉體的制備方法。
背景技術(shù)：
鋯鈦酸鉛Pb(ZrxTi(1-x)O3)，簡稱為PZT材料，是具有鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)的ABO3型壓電陶瓷材料，因其具有良好的壓電性、熱釋電性、介電性、光電性、鐵電性，易摻雜改性，穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地被挖掘和開發(fā)。近年來PZT材料在國內(nèi)也引起了專業(yè)人員的密切關(guān)注，尤其是組成在準(zhǔn)同型相界點(diǎn)附近(即x＝0.52～0.55)的PZT陶瓷因其較高的介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)而備受矚目。
PZT材料的制備方法已有多種，國內(nèi)目前討論最多的是溶膠—凝膠法(Sol-gel法)。在溶膠—凝膠法制備鋯鈦酸鉛納米粉體的研究中，國內(nèi)學(xué)者嘗試用無機(jī)鋯鹽代替鋯醇鹽以降低成本。其中劉雅信等人的發(fā)明專利《鋯鈦酸鉛穩(wěn)定溶膠的制備方法》(申請?zhí)?3131070.2)中，以硝酸鋯或硝酸氧鋯為鋯源制備了穩(wěn)定溶膠，但在制備中采用乙二醇單甲醚為溶劑，同時(shí)采用向加有乙酰丙酮穩(wěn)定劑的鈦鹽乙二醇單甲醚溶液中滴加鉛鹽、鋯鹽水溶液的方法，使制備成本較高，實(shí)驗(yàn)操作比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間較長。郭宏霞等人在《溶膠—凝膠法制備納米Pb(Zr0.52Ti0.48)O3》一文中(《應(yīng)用化學(xué)》2002年12月，19卷第12期，1166頁)，將用上述方法制得的溶膠經(jīng)燒結(jié)制得納米粉體，但其制備干凝膠時(shí)間長，燒結(jié)工藝復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單，所耗材料成本較低，產(chǎn)品質(zhì)量良好的Sol-gel法制備鋯鈦酸鉛納米粉體的工藝方法。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的設(shè)計(jì)了以下技術(shù)方案所采用的原料為鈦酸丁酯Ti(O-C4H9)4、硝酸鋯Zr(NO3)4.5H2O、乙酸鉛Pb(CH3COO)2.3H2O，乙二醇C2H6O2為溶劑，其中摩爾比為鋯∶鈦＝X∶(1-X)，X＝0.5～0.8，鉛∶(鋯+鈦)＝1∶1。
其具體的制備工藝如下1.在60℃～70℃條件下，按計(jì)量比分別將硝酸鋯Zr(NO3)4.5H2O溶于乙二醇C2H6O2、鈦酸丁酯Ti(O-C4H9)4溶于乙二醇C2H6O2、乙酸鉛Pb(CH3COO)2.3H2O溶于乙二醇C2H6O2中。
2.將硝酸鋯乙二醇溶液與鈦酸丁酯的乙二醇溶液混合，在60℃～70℃回流30分。向體系中滴加乙酸鉛的乙二醇溶液，如出現(xiàn)白色絮凝物，用硝酸HNO3調(diào)節(jié)PH值為1～3，在60℃～70℃回流3小時(shí)至混合液透明，得到穩(wěn)定的溶膠。
3.將得到的溶膠在100℃鼓風(fēng)干燥箱中恒溫干燥10小時(shí)得到干凝膠。
4.將干凝膠研成粉末，放在坩堝中以5～7℃/分的升溫速度升溫至400℃，恒溫0.5小時(shí)；再以10～13℃/分的升溫速度升溫至600℃，恒溫3小時(shí)后隨爐冷卻，得淡黃色納米鋯鈦酸鉛Pb(ZrxTi(1-x)O3)粉體。
目前國內(nèi)同類方法中大都采用乙二醇單甲醚C3H8O2為溶劑，其缺點(diǎn)是成本高，因而本發(fā)明技術(shù)方案中以乙二醇C2H6O2為溶劑。當(dāng)采用乙二醇單甲醚C3H8O2為溶劑時(shí)，可以先將硝酸鋯和乙酸鉛兩種溶液混合均勻后滴加鈦酸丁酯的乙二醇單甲醚溶液，但采用乙二醇為溶劑時(shí)，上述方法并不合適，因?yàn)檠赜蒙鲜龇椒〞光佀岫□グl(fā)生沉淀，最終只能得到鋯酸鉛，這一點(diǎn)可被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。所以本發(fā)明設(shè)計(jì)的方法是將硝酸鋯乙二醇溶液與鈦酸丁酯的乙二醇溶液混合均勻后，再向體系中滴加乙酸鉛的乙二醇溶液，這樣才能防止沉淀的發(fā)生，最終得到鋯鈦酸鉛。
另外，溶膠的制備操作溫度對產(chǎn)品溶膠的穩(wěn)定性影響很大。通過對不同溫度條件制得的溶膠穩(wěn)定性加以分析比較，本發(fā)明適宜的操作溫度為60～70℃。這種溫度下得到的溶膠穩(wěn)定性特別好，因而由溶膠制凝膠、凝膠的干燥可以一次完成。
本發(fā)明的有益效果是由于采用乙二醇為溶劑使成本大大降低，采用向鈦鹽乙二醇溶液與鋯鹽乙二醇溶液的混合液中滴加鉛鹽乙二醇溶液的工藝方法使溶膠制備工藝更加合理、便于操作、溶膠更加穩(wěn)定，由溶膠制凝膠、凝膠的干燥可以一次完成，方便了操作，燒結(jié)工藝簡單、時(shí)間短。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1以制備14.00克鋯鈦酸鉛Pb(Zr0.52Ti0.48O3)納米粉體為例，所需的原料為鈦酸丁酯Ti(O-C4H9)411.70ml、硝酸鋯Zr(NO3)4.5H2O 15.75克、乙酸鉛Pb(CH3COO)2.3H2O 32.00克、乙二醇C2H6O2適量。具體操作如下1.在60℃條件下，將15.75克硝酸鋯溶于35ml乙二醇，11.70ml鈦酸丁酯溶于140ml乙二醇、32.00克乙酸鉛溶于80ml乙二醇中。
2.將硝酸鋯乙二醇溶液與鈦酸丁酯的乙二醇溶液混合，在60℃回流30分。向體系中滴加乙酸鉛的乙二醇溶液，如出現(xiàn)白色絮凝物，用65％硝酸HNO3調(diào)節(jié)PH值為2，在60℃回流3小時(shí)至混合液透明，得到無色穩(wěn)定的溶膠。
3.將得到的溶膠在100℃鼓風(fēng)干燥箱中恒溫干燥10小時(shí)，得到干凝膠38.70克。
4.將干凝膠研成粉末，放在坩堝中以5～7℃/分的升溫速度升溫至400℃，恒溫0.5小時(shí)；再以10～13℃/分的升溫速度升溫至600℃，恒溫3小時(shí)后隨爐冷卻，得14.00克納米級鋯鈦酸鉛Pb(Zr0.52Ti0.48O3)粉體。
實(shí)施例2以制備6.65克鋯鈦酸鉛Pb(Zr0.60Ti0.48O3)納米粉體為例，所需的原料為鈦酸丁酯Ti(O-C4H9)44.97ml、硝酸鋯Zr(NO3)4.5H2O 9.47克、乙酸鉛Pb(CH3COO)2.3H2O 13.93克、乙二醇C2H6O2適量。具體操作如下1.在65℃條件下，將9.47克硝酸鋯溶于21ml乙二醇，4.97ml鈦酸丁酯溶于59ml乙二醇、13.93克乙酸鉛溶于34ml乙二醇中。
2.將硝酸鋯乙二醇溶液與鈦酸丁酯的乙二醇溶液混合，在65℃回流30分。向體系中滴加乙酸鉛的乙二醇溶液，如出現(xiàn)白色絮凝物，用65％硝酸HNO3調(diào)節(jié)PH值為2，在65℃回流3小時(shí)至混合液透明，得到無色穩(wěn)定的溶膠。
3.將得到的溶膠在100℃鼓風(fēng)干燥箱中恒溫干燥10小時(shí)，得到干凝膠18.44克。
4.將干凝膠研成粉末，放在坩堝中以5～7℃/分的升溫速度升溫至400℃，恒溫0.5小時(shí)；再以10～13℃/分的升溫速度升溫至600℃，恒溫3小時(shí)后隨爐冷卻，得6.65克納米級鋯鈦酸鉛Pb(Zr0.60Ti0.40O3)粉體。
實(shí)施例3以制備5.43克鋯鈦酸鉛Pb(Zr0.75Ti0.25O3)納米粉體為例，所需的原料為鈦酸丁酯Ti(O-C4H9)42.49ml、硝酸鋯Zr(NO3)4.5H2O 9.47克、乙酸鉛Pb(CH3COO)2.3H2O 11.14克、乙二醇C2H6O2適量。具體操作如下1.在70℃條件下，將9.47克硝酸鋯溶于21ml乙二醇，2.49ml鈦酸丁酯溶于30ml乙二醇、11.14克乙酸鉛溶于27ml乙二醇中。
2.將硝酸鋯乙二醇溶液與鈦酸丁酯的乙二醇溶液混合，在70℃回流30min。向體系中滴加乙酸鉛的乙二醇溶液，如出現(xiàn)白色絮凝物，用65％硝酸HNO3調(diào)節(jié)PH值為2，在70℃回流3小時(shí)至混合液透明，得到無色穩(wěn)定的溶膠。
3.將得到的溶膠在100℃鼓風(fēng)干燥箱中恒溫干燥10小時(shí)，得到干凝膠15.02克。
4.將干凝膠研成粉末，放在坩堝中以5～7℃/分的升溫速度升溫至400℃，恒溫0.5小時(shí)；再以10～13℃/分的升溫速度升溫至600℃，恒溫3小時(shí)后隨爐冷卻，得5.43克納米級鋯鈦酸鉛Pb(Zr0.75Ti0.25O3)粉體。
本發(fā)明適宜的操作溫度為60～70℃。這種溫度下得到的溶膠穩(wěn)定性特別好，因而由溶膠制凝膠、凝膠的干燥可以一次完成。
本發(fā)明的有益效果是由于采用乙二醇為溶劑使成本大大降低，采用向鈦鹽乙二醇溶液與鋯鹽乙二醇溶液的混合液中滴加鉛鹽乙二醇溶液的工藝方法使溶膠制備工藝更加合理、便于操作、溶膠更加穩(wěn)定，由溶膠制凝膠、凝膠的干燥可以一次完成，方便了操作，燒結(jié)工藝簡單、時(shí)間短，產(chǎn)品質(zhì)量良好。
權(quán)利要求
1.一種鋯鈦酸鉛納米粉體的制備方法，是以溶膠-凝膠法為基礎(chǔ)，以乙酸鉛Pb(CH3COO)2·3H2O、硝酸鋯Zr(NO3)4·5H2O、鈦酸丁酯Ti(O-C4H9)4為原料，配制溶液的摩爾比為鋯∶鈦＝X∶(1-X)，X＝0.5～0.8，鉛∶(鋯+鈦)＝1∶1，所得到的鋯鈦酸鉛納米粉體的成分是Pb(ZrxTi(1-x)O3)；其特征在于配制溶液的溶劑為乙二醇C2H6O2；所采用的制備工藝為1)在60℃～70℃條件下，按計(jì)量比鋯∶鈦＝X∶(1-X)，X＝0.5～0.8，鉛∶(鋯+鈦)＝1∶1分別將硝酸鋯Zr(NO3)4·5H2O溶于乙二醇C2H6O2，鈦酸丁酯Ti(O-C4H9)4溶于乙二醇C2H6O2，乙酸鉛Pb(CH3COO)2·3H2O溶于乙二醇C2H6O2中；2)將硝酸鋯的乙二醇溶液與鈦酸丁酯的乙二醇溶液混合，在60℃～70℃回流30分鐘，向體系中滴加乙酸鉛的乙二醇溶液，如出現(xiàn)白色絮凝物，用硝酸HNO3調(diào)節(jié)PH值為1～3，在60℃～70℃回流3小時(shí)至混合液透明，得到穩(wěn)定的溶膠；3)將得到的溶膠在100℃鼓風(fēng)干燥箱中恒溫干燥10小時(shí)得到干凝膠；4)將干凝膠研成粉末，放在坩堝中以5～7℃/分的升溫速度升溫至400℃，恒溫0.5小時(shí)；再以10～13℃/分的升溫速度升溫至600℃，恒溫3小時(shí)后隨爐冷卻，得淡黃色納米鋯鈦酸鉛Pb(ZrxTi(1-x)O3)粉體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋯鈦酸鉛納米粉體的制備方法。該制備方法采用溶膠－凝膠法(Sol－gel法)，是以鈦酸丁酯Ti(O－C
文檔編號C04B35/491GK1613823SQ20041004403
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者張德慶, 曹茂盛 申請人:哈爾濱工程大學(xué)