一种Bi12TiO20的可控制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Bi12TiO20的可控制备方法，该方法以HT(H1.07Ti1.73O4·nH2O)与Ba(OH)2·8H2O为原料水热合成HT/BT纳米复合体，再以HT/BT纳米复合体与Bi(NO3)3·5H2O及KOH溶液为原料水热反应合成外貌不同的Bi12TiO20纳米晶体。所制得的Bi12TiO20是一种含有氧四面体的铋层状结构的纳米晶体，拥有优良的铁电与光电性能，可在信息存储器、记忆编码等领域广泛应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无铅压电陶瓷材料学领域，具体而言，涉及一种Bi12TiO20纳米晶体的可控制备方法。
技术介绍
材料的应用在我们生活中无处不在，从使用性能上可以分为结构材料和功能材料两大类，其中结构材料的应用依据是其强度、硬度、弹性等力学特性，功能材料则是在电、磁、光等物理特性的基础上(裴先茹,高海荣.压电材料的研究和应用现状[J].安徽化工,2010,3(36):4–5.)，用这些不同性能的材料来制作具有不同功能的材料。压电材料是一种功能材料，能实现机械能与电能之间的相互转换，是一类对声、热、光等外界因素比较敏感的电子材料，广泛应用于工业部门和高科技领域(盖学周.压电材料的研究发展方向和现状[J].中国陶瓷,2008,5(44):9–13.)。BaTiO3是最早发现的压电陶瓷材料，被认为是应用最广的一种高介电常数钙钛矿铁电体(张林慧,廖运文,李伟,姜宁,王文芳.BNKT-BZT陶瓷的制备和性能研究[J].压电与声光,2013,5(35):727–733.)。但是，这类压电材料的介电温度稳定性极差，尤其是在相变温度附近介电常数波动很大，这也极大地限制了其应用。因此，很多研究人员依据掺杂改性思想，通过用Pb等元素取代Ba来改变BaTiO3陶瓷的温度特性。目前我们所用的压电陶瓷材料绝大部分都是铅基压电陶瓷材料，而其中大量的氧化铅会给环境和人类生活带来危害，顺应如今保护环境和可持续发展的理念与需求，无铅压电陶瓷材料的研究及应用为压电材料的发展开创更为广阔的前景。如今，越来越多的研究人员对BaTiO3基、钛酸铋钠(BNT)基、铋层状结构以及铌酸盐系四大类无铅压电陶瓷体系进行了大量的研究和开发工作(石伟丽,邢志国,王海斗,李国禄,张建军.无铅压电陶瓷的现状[J].材料导报,2014,2(28):45–50.)，其中以日本学者在无铅压电陶瓷的研究最多。尤其是在铋层状结构化合物方面的研究，铋系结构化合物铁电体有一个通式(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，(Am-1BmO3m+1)2-与三氧化二铋层(Bi2O3)沿着c轴交错组成伪钙钛矿的晶体结构。由于它们有着很高的居里温度(Tc)、较低的介电常数，故特别适合在高温环境使用。铋层状结构铁电体的铁电性具有各向异性，其自发极化主要发生在b轴方向。传统方法制备的铋层结构的铁电材料因其自由取向致使压电性能较低。为了提高铋层结构铁电体材料铁电性和压电性，近年来聚焦于铋层结构材料的制备技术的研究较多。目前，国内外合成钛酸铋的方法主要有固相合成法、高能球磨法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、熔盐法等。这些对于非铅系压电陶瓷材料的不断开拓，为无铅压电陶瓷材料的研究开辟了一个新的方向，但是这些方法所得的粉体容易团聚，形貌难以控制，陶瓷颗粒较大，密度较小，工艺流程复杂。由于以上方法都在不同程度上存在某些缺陷，因此寻求制备钛酸铋系列氧化物的新方法具有一定的经济意义和社会意义。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服现有技术的不足之处，提供了一种Bi12TiO20纳米晶体的可控制备方法。利用该方法所得晶体相发育完整，纯度高，晶粒形貌规则，尺寸均匀，可大幅提升材料的压电性能。为了实现本专利技术的目的，专利技术人以HT(H1.07Ti1.73O4·nH2O)与Ba(OH)2·8H2O为原料水热合成HT/BT纳米复合体，再以HT/BT纳米复合体与Bi(NO3)3·5H2O及KOH溶液为原料水热反应合成Bi12TiO20纳米晶体，该晶体不仅不含有铅，并且粉体松散、粒径小且分布窄、纯度高、化学成分均匀，工艺简单，效率高。具体地，本专利技术提供了一种Bi12TiO20的可控制备方法，该方法的步骤具体如下：(1)分别称取HT和Ba(OH)2·8H2O作为反应原料，加入蒸馏水，在180～220℃下于均相反应器中反应8～13h，产物经抽滤、洗涤、干燥，得到HT/BT纳米复合体；(2)分别称取步骤(1)制备的HT/BT纳米复合体、Bi(NO3)3·5H2O，置于3～5mol/L的KOH溶液中，在200～250℃下于均相反应器中反应12～36h，产物经抽滤、洗涤、干燥，得到Bi12TiO20。优选地，如上所述Bi12TiO20的可控制备方法，其中步骤(1)中两种反应原料中的Ti与Ba的摩尔比为(0.05～0.06)∶1。优选地，如上所述Bi12TiO20的可控制备方法，其中步骤(1)的反应温度为200℃，反应时间为12h。优选地，如上所述Bi12TiO20的可控制备方法，其中步骤(2)中HT/BT纳米复合体与Bi(NO3)3·5H2O的质量比为1：(15～20)。优选地，如上所述Bi12TiO20的可控制备方法，其中步骤(2)中KOH溶液的浓度为5mol/L。优选地，如上所述Bi12TiO20的可控制备方法，其中步骤(2)中KOH溶液的浓度为5mol/L，反应温度为200℃，反应时间为36h。与现有技术相比，本专利技术方法制得的产物只有纯的Bi12TiO20相，无其他杂项出现，并且通过优化工艺参数后制备的产物有粉体松散、粒径小且分布窄、纯度高、化学成分均匀等优点，且其条件温和，成本较低，操作简单通过控制不同合成条件可以制备不同形貌的Bi12TiO20晶体。另外，本专利技术所制得的Bi12TiO20是一种含有氧四面体的铋层状结构的纳米晶体，拥有优良的铁电与光电性能，可在信息存储器、记忆编码用材料等多个领域广泛应用。附图说明图1：HT与Ba(OH)2·8H2O在200℃反应12h水热合成产物的XRD衍射图谱。图2：HT与Ba(OH)2·8H2O在200℃反应12h水热合成产物的SEM图；其中(a)160000倍；(b)50000倍。图3：HT/BT与Bi(NO3)3·5H2O在浓度为(a)0.5mol/L；(b)1mol/L；(c)3mol/L；(d)5mol/L的KOH溶液中于200℃反应12h所得产物的XRD图谱。图4：HT/BT与Bi(NO3)3·5H2O在浓度为(a)0.5mol/L；(b)1mol/L；(c)3mol/L；(d)5mol/L的KOH溶液中于200℃反应12h所得产物的SEM图谱。图5：HT/BT与Bi(NO3)3·5H2O在浓度为(a)0.5mol/L；(b)1mol/L；(c)3mol/L；(d)5mol/L的KOH溶液中于200℃反应36h所得产物的XRD图谱。图6：HT/BT与Bi(NO3)3·5H2O在浓度为(a)0.5mol/L；(b)1mol/L；(c)3mol/L；(d)5mol/L的KOH溶液中于200℃反应36h所得产物的SEM图谱。图7：HT/BT与Bi(NO3)3·5H2O在浓度为(a)0.5mol/L；(b)1mol/L；(c)3mol/L；(d)5mol/L的KOH溶液中于250℃反应12h所得产物的XRD图谱。图8：HT/BT与Bi(NO3)3·5H2O在浓度为(a)0.5mol/L；(b)1mol/L；(c)3mol/L；(d)5mol/L的KOH溶液中于250℃反应12h所得产物的SEM图谱。图9：Bi12TiO20纳米陶瓷的d33值.其中原材料Bi12TiO20是在不同浓度的KOH溶液中制备出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Bi12TiO20的可控制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)分别称取HT和Ba(OH)2·8H2O作为反应原料，加入蒸馏水，在180～220℃下于均相反应器中反应8～13h，产物经抽滤、洗涤、干燥，得到HT/BT纳米复合体；(2)分别称取步骤(1)制备的HT/BT纳米复合体、Bi(NO3)3·5H2O，置于3～5mol/L的KOH溶液中，在200～250℃下于均相反应器中反应12～36h，产物经抽滤、洗涤、干燥，得到Bi12TiO20。

【技术特征摘要】
1.一种Bi12TiO20的可控制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)分别称取HT和Ba(OH)2·8H2O作为反应原料，加入蒸馏水，在180～220℃下于均相反应器中反应8～13h，产物经抽滤、洗涤、干燥，得到HT/BT纳米复合体；(2)分别称取步骤(1)制备的HT/BT纳米复合体、Bi(NO3)3·5H2O，置于3～5mol/L的KOH溶液中，在200～250℃下于均相反应器中反应12～36h，产物经抽滤、洗涤、干燥，得到Bi12TiO20。2.根据权利要求1所述Bi12TiO20的可控制备方法，其特征在于，步骤(1)中两种反应原料中的Ti与Ba的摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡登卫，闫亚丽，牛晓梅，田梅娟，程花蕾，凡明锦，杨得锁，王晓玲，王宏社，赵立芳，郭进宝，
申请(专利权)人：宝鸡文理学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61