[發(fā)明專利]一種堿金屬鈮酸鹽微納米線材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611181133.9
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106673062B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 江民紅;嚴(yán)亞飛;郝崇琰;李林;饒光輝;成鋼;顧正飛;劉心宇
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類號: C01G33/00
• 分類號: C01G33/00;C04B35/495;C04B35/622;B82Y40/00
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標(biāo)事務(wù)所有限責(zé)任公司45112
• 代理人: 唐修豪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電納米材料領(lǐng)域，具體是一種堿金屬鈮酸鹽微納米線材料及其制備方法。

背景技術(shù)

壓電材料因具有正、逆壓電效應(yīng)，因而在電能-機械能互轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如壓電傳感器、超聲發(fā)生器、馬達(dá)、雷達(dá)、作動器、變壓器、蜂鳴器、揚聲器、聲表面波器件和太赫茲波通信器件等等，對人們?nèi)粘Ｉ詈蛧澜ㄔO(shè)起到了舉足輕重的作用。但是，目前應(yīng)用中的絕大部分壓電材料都是含鉛的。在生產(chǎn)、使用和廢棄等過程中，鉛基壓電材料均不可避免地會對人類賴以生存的社會環(huán)境產(chǎn)生危害。為了降低甚至避免這種危害，無鉛壓電材料的需求應(yīng)運而生。

納米技術(shù)作為21世紀(jì)一個重要新興科技領(lǐng)域，在理論與實踐上正經(jīng)歷著高速發(fā)展，大量新型納米材料與器件不斷被開發(fā)出來, 并在生物醫(yī)學(xué)、國防以及日常生活的各個領(lǐng)域展現(xiàn)前所未有的應(yīng)用前景。納米發(fā)電機曾經(jīng)也只是一個設(shè)想，希望直接給其它微型電子器件供電。例如，在生物傳感器、生物醫(yī)藥監(jiān)控和生物活體探測方面，為了保持納米系統(tǒng)微小且體內(nèi)可植入等特性，小型供電系統(tǒng)必不可少。自從王中林成功制備出排列整齊的ZnO納米線陣列并發(fā)明了納米壓電發(fā)電機后，這個設(shè)想正在逐漸成為現(xiàn)實，而使納米發(fā)電機運轉(zhuǎn)的核心部件則是壓電材料，對此，《Science》、《Advanced materials》等雜志有專門的報道。事實上，壓電材料的微型化，不僅在于可以制作納米壓電發(fā)電機，還可以用在基于壓電效應(yīng)的太赫茲波輻射通信、納米馬達(dá)等，這正是基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)（也稱電致伸縮效應(yīng)）而應(yīng)用的，壓電納米超聲雷達(dá)等傳感器則需同時利用上述正、逆壓電效應(yīng)。從壓電式納米換能器的效率方面來講，除了在一定程度上受系統(tǒng)集成組裝的質(zhì)量影響外，最主要的影響因素應(yīng)該是其核心部件—壓電材料的性能，高壓電性能的材料顯然會被優(yōu)先關(guān)注和利用。當(dāng)然，由于鉛基壓電陶瓷含鉛且含鉛量高于60%（質(zhì)量比）不利于人類環(huán)境保護(hù)而即將被淘汰，特別是作為植入人體的醫(yī)療器械，更不應(yīng)該采用。雖然ZnO也具有弱壓電效應(yīng)且納米線及其陣列的制備可以說比較成熟，研究報道很多，但由于其壓電換能效率較低，此外還由于氧化鋅本身在制備過程中傾向于形成n型半導(dǎo)體特性，其導(dǎo)電性幾乎接近金屬的導(dǎo)電性，因此理論上在利用壓電效應(yīng)時，大的介電損耗是個無法回避的難題。因此，ZnO壓電材料并不是十分理想的選擇。作為替代，無鉛壓電材料的研究及盡早開發(fā)自然十分迫切。比較目前研究比較熱的幾類無鉛壓電材料，鈮酸鉀鈉體系由于具有很好綜合性能優(yōu)勢，如高的壓電系數(shù)、高的機電耦合系數(shù)、高的居里溫度和組成元素對人類友好，而成為首選材料之一。

目前，無鉛壓電材料研究報道最多的是塊體陶瓷材料，但是在微納技術(shù)領(lǐng)域則恰恰需要相應(yīng)的具有微納米尺寸的材料，例如在微型馬達(dá)、生物醫(yī)藥傳感器、監(jiān)控、生物活體探測和太赫茲波通信等方面。從上述研究報道來看，目前針對鈮酸鉀鈉納米線的制備方法主要有模板生長法、水熱法、溶膠-凝膠法、熔鹽法和靜電紡絲法等。雖然每種方法各有優(yōu)點，但也各自存在一些問題。

模板生長法可以采用AAO、碳納米管、分子篩和硅納米線等模板進(jìn)行輔助生長，具有納米線排列可控、對材料結(jié)構(gòu)限制少等優(yōu)點，但是存在所制備的納米線通常是多晶，不易獲得單晶，且產(chǎn)物中因模板的存在易引入雜質(zhì)的技術(shù)問題。

水熱法和溶膠-凝膠法等液相法具有低溫、低成本優(yōu)勢，及產(chǎn)量高和均勻性好等優(yōu)點，但是存在產(chǎn)物長徑比較低、尺寸較大，工藝復(fù)雜且產(chǎn)物純度不高的技術(shù)問題。此外，水熱法還存在只能用于制備對水或溶劑不敏感的化合物的技術(shù)問題。

此外，如果不結(jié)合使用模板生長法而單純采用液相法，生長出來的鈮酸鉀鈉納米線則雜亂無章排列。

迄今為止，有關(guān)堿金屬鈮酸鹽，特別是(1-x)K_0.5Na_0.5NbO₃-xBaBiO₃體系微納米線的固相制備技術(shù)還沒有相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種堿金屬鈮酸鹽微納米線材料及其制備方法。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法，在不需要額外提供氣相、異質(zhì)模板和催化劑的的條件下，實現(xiàn)堿金屬鈮酸鹽微納米線的可控生長，使合成的堿金屬鈮酸鹽微納米線直接從同質(zhì)基體中生長，不引入外界雜質(zhì)，實現(xiàn)產(chǎn)物的純潔。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：