專利名稱：鐵電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈮酸鈉納米棒的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料的制備領(lǐng)域，具體是一種鐵電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈮酸鈉納米棒的制
備方法。
背景技術(shù)：
鐵電體的研究源于本世紀(jì)20年代羅息鹽(酒石酸鉀鈉，NaKC4H406 *4H20)的特異介 電性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)而開(kāi)始的，其最基本的特征是出現(xiàn)了一種自發(fā)剩余極化，且自發(fā)極化矢量可 以在外場(chǎng)作用下自由轉(zhuǎn)向，從而表現(xiàn)出鐵電、壓電、熱釋電、電光和聲學(xué)等特性。到了 40年 代，鐵電唯象理論開(kāi)始建立并趨于成熟。60年代初，鐵電軟模型理論開(kāi)始出現(xiàn)并日趨完善。 此后隨著多學(xué)科的發(fā)展和滲透，特別是到80年代納米科學(xué)的發(fā)展，掀起了研究鐵電低維體 系特性的熱潮。這是因?yàn)楫?dāng)顆粒尺度達(dá)到納米量級(jí)(l-100nm)時(shí)，顆粒本身所具有的小尺 寸效應(yīng)和表面效應(yīng)在鐵電物理上表現(xiàn)得尤為重要，這種特性首先在薄膜等低維體系中變得 不可忽略，主要表現(xiàn)為居里溫度、剩余極化強(qiáng)度、矯頑場(chǎng)和電容率隨著膜厚或退火溫度的變 化而發(fā)生變化。 鐵電體系的壓電陶瓷主要以Pb (Zr， Ti) 03 (PZT)為基材料，其壓電性能大大優(yōu)越于 其它壓電陶瓷材料，而且可以通過(guò)摻雜改性和工藝控制在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和 物理特性，以滿足各種應(yīng)用需求。然而，目前獲得工業(yè)應(yīng)用的壓電、鐵電陶瓷，包括弛豫鐵電 陶瓷，主要是含鉛陶瓷，其中氧化鉛的含量約占材料總質(zhì)量的60%以上?？梢?jiàn)，含鉛壓電陶 瓷材料，在材料加工過(guò)程、儲(chǔ)運(yùn)、元件制造、使用及其廢棄物處理過(guò)程中，都容易對(duì)環(huán)境和人 類造成嚴(yán)重危害。因此，研究和開(kāi)發(fā)壓電、鐵電陶瓷等無(wú)鉛電子陶瓷材料是近年來(lái)研究與開(kāi) 發(fā)的重要方向和熱點(diǎn)課題。繼2001年之后，2003年歐盟議會(huì)及歐盟委員會(huì)發(fā)布了"關(guān)于禁 止在電器和電子設(shè)備中使用某些有害物質(zhì)"的指令。指令規(guī)定從2006年7月1日起，在新 投放市場(chǎng)的電氣電子設(shè)備產(chǎn)品中，禁止或限制使用鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)、六價(jià)鉻(Cr6+)、 多溴二苯醚(PBDE)和多溴聯(lián)苯(PBB)等6種有害物質(zhì)，包括在生產(chǎn)過(guò)程中以及原材料中可 能含有上述6種有害物質(zhì)的電氣電子產(chǎn)品。美國(guó)也相繼制訂了自己的法規(guī)。我國(guó)信息產(chǎn)業(yè) 部也相繼于2006年2月頒布了《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》，于2007年3月1日起 開(kāi)始計(jì)劃實(shí)施.為了保護(hù)地球和人類的生存空間，防止環(huán)境的污染，保證可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 的實(shí)施，十多年來(lái)，國(guó)際和國(guó)內(nèi)在無(wú)鉛電子產(chǎn)品和材料的研究和開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)做了大量的 工作。目前在國(guó)際和國(guó)內(nèi)的電子產(chǎn)品制造中應(yīng)用量大、面廣的焊料和陶瓷電容器(包括瓷 料和電極漿料)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛化，其它無(wú)鉛鐵電、壓電等材料也一直在努力探索中。
無(wú)鉛壓電陶瓷主要包括鈮酸鹽系無(wú)鉛壓電陶瓷、鈦酸鋇(BT)基無(wú)鉛壓電陶瓷、鉍 層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷和鈦酸鉍鈉(BNT)基無(wú)鉛壓電陶瓷等。BT基無(wú)鉛壓電陶瓷是指以BT 為基通過(guò)固溶第二組元或者通過(guò)摻雜改性來(lái)提高其壓電性能，以滿足一定的應(yīng)用要求。但 是由于BT的居里溫度比較低，難以通過(guò)摻雜改性提高材料的壓電性能，穩(wěn)定性不如PZT，同 時(shí)必須在比較高的溫度下燒結(jié)，直接取代鉛基壓電陶瓷比較困難。就目前的研究情況來(lái)看， 鈮酸鹽系無(wú)鉛壓電陶瓷是最有應(yīng)用前景的無(wú)鉛壓電材料。經(jīng)過(guò)摻雜改性該材料系統(tǒng)可能在
3性能和應(yīng)用上會(huì)獲得大的突破。通過(guò)A位摻雜或者Nb過(guò)剩形成A空位來(lái)促進(jìn)燒結(jié)，或者通 過(guò)加入其它鈣鈦礦組分與之形成固溶體或者用Spark等離子體燒結(jié)方法制備出高性能的 無(wú)鉛壓電陶瓷材料。鈮酸鹽基鐵電材料作為環(huán)境友好材料，在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越顯示其重 要性。 目前，關(guān)于鈮酸鹽基顆粒和薄膜的制備主要有固相反應(yīng)法；溶膠-凝膠方法；水熱 方法；微乳液方法；甘油熱處理和其他的方法。然而對(duì)一維鈮酸鹽基納米材料的制備與物 性的研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的工作報(bào)導(dǎo)不多，有水熱合成的方法，但是水熱方法需求長(zhǎng)的反應(yīng)周 期， 一般時(shí)間為6-7天，僅一般需要經(jīng)過(guò)高溫退火處理( 一般大于500°C )，因此尋求一種簡(jiǎn) 單低溫的鈮酸鹽納米材料合成方法是當(dāng)前材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種鐵電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈮酸鈉納米棒的制備方法，采用在表面活性劑 參與的水熱方法，原位合成鈮酸鈉納米棒。
本發(fā)明的技術(shù)方案為 鐵電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈮酸鈉納米棒的制備方法，其特征在于首先將Nb205粉體加入去 離子水中，在20-55t:下攪拌20-30分鐘，然后加入NaOH于N、05水溶液中，在室溫下攪拌 15-30分鐘，再加入表面活性劑，在30-55t:下繼續(xù)攪拌20-30分鐘，然后把混合溶液封在高 壓反應(yīng)釜內(nèi)，控制溫度在150-20(TC下反應(yīng)2-72小時(shí)，反應(yīng)完成后，反應(yīng)物冷卻至室溫，經(jīng) 洗滌，在75-85t:下干燥8-14小時(shí)，得白色產(chǎn)物粉體 所述的納米棒的制備方法，其特征在于所述的表面活性劑選用油酸、十二 烷基苯磺酸鈉或十二烷基磺酸鈉；所述的N、Os、NaOH和表面活性劑的摩爾比為 2 : 310-330 : 2. 5-10 ;所述的NaOH水溶液的摩爾濃度為4-22mo1/1 ;所述的洗滌選用去 離子水、乙醇進(jìn)行洗滌。 本發(fā)明引入表面活性劑，降低了合成的溫度，利用表面活性劑的導(dǎo)向作用，使鈮酸 鈉的結(jié)構(gòu)單元擇優(yōu)取向自組織生長(zhǎng)，最終得到鈮酸鈉棒狀結(jié)構(gòu)。


圖1是掃描電子顯微鏡觀測(cè)后拍攝得到的鈮酸鈉納米棒照片。
圖2是鈮酸鈉納米棒高倍掃描電鏡照片。 圖3是用Phlips X' Pert型X-ray衍射儀測(cè)得的鈮酸鈉XRD譜圖。
圖4是鈮酸鈉納米棒的透射電鏡照片。
圖5是一根納米棒邊緣的高分辨電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
將O. 5g(0. 00211101)恥205粉體( 200nm)加入到30ml的去離子水中，在50。C下攪 拌20分鐘，然后把12. 8g NaOH(約0. 32mol)加入到上述的Nb205水溶液中，在室溫下攪拌 20分鐘，將0. 005mol表面活性劑十二烷基磺酸鈉加入，繼續(xù)在5(TC下攪拌30分鐘，然后把 混合溶液封在125ml帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜內(nèi)，在170°C下反應(yīng)24小時(shí)，待反應(yīng) 完成后冷卻至室溫，產(chǎn)物經(jīng)過(guò)去離子水和乙醇洗滌，最終在8(TC下干燥12小時(shí)得白色產(chǎn)物粉體。產(chǎn)物經(jīng)過(guò)掃描電鏡和透射電鏡以及X衍射儀表征如下。 由圖1可以看出，鈮酸鈉的納米棒結(jié)構(gòu)，低倍掃描電鏡照片可以看出它的棒狀結(jié) 構(gòu)，這些棒的直徑主要分布在50-300nm，長(zhǎng)度在l_4iim。 圖2是對(duì)鈮酸鈉納米棒高倍的掃描電鏡照片，進(jìn)一步顯示產(chǎn)物的組成是納米棒狀 結(jié)構(gòu)。 圖3是對(duì)圖1用Phlips X' Pert型X_ray衍射儀測(cè)得的鈮酸鈉XRD譜圖，從譜圖 可以看出，所得產(chǎn)物為立方結(jié)構(gòu)(JCPDF 75-2102)。 圖4是對(duì)鈮酸鈉納米棒拍攝的透射電鏡照片，可以得出這些納米棒的平均直徑約 為250nm左右，而長(zhǎng)度從一到幾個(gè)微米不等。 圖5是對(duì)圖4選擇的一根納米棒邊緣(見(jiàn)方框區(qū)域)的高分辨電鏡照片，從圖上 可以看出面間距O. 39nm對(duì)應(yīng)了立方相鈮酸鈉的(100)晶面，進(jìn)一步看出鈮酸鈉納米棒是沿 著100方向生長(zhǎng)的。同時(shí)可以看出棒的表面有一層非晶層，這是表面活性劑物質(zhì)。
權(quán)利要求
鐵電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈮酸鈉納米棒的制備方法，其特征在于首先將Nb2O5粉體加入到去離子水中，在20-55℃下攪拌20-30分鐘，然后加入NaOH于Nb2O5水溶液中，在室溫下攪拌15-30分鐘，再加入表面活性劑，在30-55℃下繼續(xù)攪拌20-30分鐘，然后把混合溶液封在高壓反應(yīng)釜內(nèi)，控制溫度在150-200℃下反應(yīng)2-72小時(shí)，反應(yīng)完成后，反應(yīng)物冷卻至室溫，經(jīng)洗滌，在75-85℃下干燥8-14小時(shí)，得白色產(chǎn)物粉體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米棒的制備方法，其特征在于所述的表面活性劑選用 油酸、十二烷基苯磺酸鈉或十二烷基磺酸鈉；所述的％05、 NaOH和表面活性劑的摩爾比為 2 : 310-330 : 2. 5-10 ;所述的NaOH水溶液的摩爾濃度為4-22mo1/1 ;所述的洗滌選用去 離子水、乙醇進(jìn)行洗滌。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了鐵電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈮酸鈉納米棒的制備方法，首先將Nb2O5粉體溶于水，在20-55℃下攪拌20-30分鐘，然后加入NaOH，在室溫下攪拌15-30分鐘，再加入表面活性劑，在30-55℃下繼續(xù)攪拌20-30分鐘，然后把混合溶液封在高壓反應(yīng)釜內(nèi)，控制溫度在150-200℃下反應(yīng)2-72小時(shí)，反應(yīng)完成后，反應(yīng)物冷卻至室溫，經(jīng)去離子水和乙醇洗滌，在75-85℃下干燥8-14小時(shí)，得白色產(chǎn)物粉體。本發(fā)明引入表面活性劑，降低了合成的溫度，利用表面活性劑的導(dǎo)向作用，使鈮酸鈉的結(jié)構(gòu)單元擇優(yōu)取向自組織生長(zhǎng)，最終得到鈮酸鈉棒狀結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C01G33/00GK101786664SQ20101011114
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者李軍, 李晗, 汪國(guó)忠, 趙之光 申請(qǐng)人:深圳寶明精工有限公司