[發明專利]純相鐵酸鉍微晶的制備方法

無效

• 申請號: 200810036389.X
• 申請日: 2008-04-21
• 公開（公告）號: CN101311369A
• 公開（公告）日: 2008-11-26
• 發明（設計）人: 程晉榮;嚴曉龍;陳建國;金燈仁;俞圣雯
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C30B29/22
• 分類號: C30B29/22;C30B7/10;C04B35/26
• 代理公司: 上海上大專利事務所（普通合伙）
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種通過快速冷卻水熱反應來制備純相鐵酸鉍微晶的方法，屬無機非金屬材料制備工藝技術領域。

背景技術

多鐵性材料，因為同時具有鐵電性、鐵磁性和鐵彈性(至少有其中兩種性能)以及由此產生的耦合效應使其可以廣泛用于換能器、傳感器、敏感器、多態存儲等高技術領域，引起科學家們廣泛興趣，并逐漸成為材料科學與工程領域的研究熱點。

BiFeO₃是一種具有三角扭曲鈣鈦礦結構(屬于R3C空間點群)的典型多鐵性材料。室溫下同時具有鐵電有序(T_C＝1103K)和G型反鐵磁有序(T_N＝643K)，是少數室溫下同時具有鐵電性和鐵磁性的單相材料之一。然而，由于BiFeO₃的穩定溫區較狹窄，采用傳統的固相反應法很難避免其他雜相如Bi₂Fe₄O₉，Bi_2.5FeO₄₀的產生。同時，固相法合成BiFeO₃的溫度較高，Bi易揮發，會導致化學計量比的偏移。因而，純相BiFeO₃粉體的制備非常困難。此外，鐵酸鉍的G型反鐵磁結構具有空間調制的螺旋周期為62nm±2nm，使得鐵酸鉍的宏觀磁矩為零。但如果顆粒尺寸下降至納米級，尤其是62nm以下，鐵酸鉍的螺旋周期將會被破壞，潛在的磁性將可以得到釋放。濕化學法常用來制備納米粉體，如溶膠-凝膠工藝和水熱法等。與常規固相法相比，濕化學合成法具有反應溫度低、各組分在分子水平上混合、產物均勻性好、純度高、反應易控制及高效節能等優點，廣泛用于高品質電子陶瓷粉體的制備。水熱法和溶膠-凝膠法已經廣泛用于鈣礦結構鋯鈦酸鉛和鈦酸鋇粉體等的制備。然而用濕化學工藝，尤其是水熱法制備鐵酸鉍粉體的報道卻并不多見。美國賓州州立大學Komarneni等最早報道了用微波水熱法制備出鐵酸鉍粉體，但合成的鐵酸鉍晶粒達到5μm，遠大于鐵酸鉍的螺旋周期。我們曾用水熱法制備出亞微米量級的鐵酸鉍微晶，但粉末仍呈現反鐵磁性。

水熱合成的基本原理是密閉容器中，在系統本身形成的高溫、高壓下，氫氧化物在水中的溶解度大于相應氧化物的溶解度，氫氧化物溶入水中的同時析出氧化物，水熱反應在100～200℃的低溫下就可以完成。水熱法制備的粉體直接晶化，不需高溫燒結處理。通常水熱工藝制備的粉體顆粒較大，改進水熱工藝參數，控制顆粒的尺寸和晶形是獲得具有鐵磁性的鐵酸鉍微晶的關鍵。

發明內容

本發明的目的是提供一種以快速冷卻水熱工藝方法獲得純相的具有鐵磁性的鐵酸鉍微晶的方法。

本發明一種純相鐵酸鉍微晶的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟：

a.礦化劑溶液的配制：采用分析純的KOH及去離子水配制成4mol/L的KOH礦化劑溶液；

b.原料的配合：按鐵酸鉍的化學計量比稱重并配料；使用分析純的Fe(NO₃)₃·9H₂O和Bi(NO₃)₃·5H₂O作為原料，按照Fe∶Bi摩爾比1∶1稱料后將兩者混和，并滴加鹽酸和去離子水，通過磁力攪拌，使原料完全溶解，成為均勻的混合液溶；

c.制備前驅體溶液：在上述混合溶液中，緩慢滴加前述的KOH礦化劑溶液，并使其pH值達到13；繼續磁力攪拌0.5～1小時，之后將溶液超聲振蕩15分鐘，得到褐色前驅體溶液；

d.水熱合成：稱取適量的所述前驅體溶液，將其轉移至具有聚四氟乙烯內襯的不銹鋼反應釜中，填充度為80％；密封反應釜，并將反應釜置于200℃烘箱內保溫6小時，使其充分反應；

e.冷卻反應釜：自烘箱內取出反應釜，將其放入冷卻水中快速急冷至室溫；之后開啟反應釜，將溶液倒至盛有去離子水的燒杯中；

f.過濾和干燥：將上述溶液進行過濾，得到沉淀物；用冰醋酸和去離子水反復沖洗所得的沉淀物，然后在80℃的烘箱內干燥，即得到鐵酸鉍微晶。

本發明的主要特點是采用改進的水熱工藝，在水熱反應完成后采用快速冷卻，抑制第二相的產生和顆粒長大，獲得具有純相鈣鈦礦結構和鐵磁性的鐵酸鉍微晶。該鐵磁性鐵酸鉍超細粉體可用來制造鐵酸鉍特種陶瓷。

本發明采用改進的水熱工藝，通過反應產物的快速冷卻，得到了尺寸在亞微米級的純相鐵酸鉍。由于采用快速冷卻，縮短了反應產物在較高溫度下的停留時間，抑制了晶粒的長大和雜相的產生，而顆粒尺寸的下降誘發了鐵酸鉍的鐵磁性。

附圖說明