微波—水热法合成纳米钛酸钡原料

陈舰，杨浩南



微波—水热法合成纳米钛酸钡原料

陈舰，杨浩南

（东莞理工学院 化学与环境工程学院，广东 东莞 523808）

结合水热法和微波加热的优点，设计了三因素三水平的正交试验方案，采用微波—水热法合成纳米钛酸钡（BaTiO3）原料. 用X射线衍射仪（XRD）、激光粒度分析仪、扫描电子显微镜（SEM）对合成的BaTiO3原料进行检测和表征，用直观分析法处理结果，得出BaTiO3纳米原料的最佳合成工艺：反应温度70 ℃，反应时间30 min，反应物浓度0.2 mol/L.

微波—水热法；纳米BaTiO3原料；激光粒度分析

钛酸钡（BaTiO3），又称偏钛酸钡，是一种具有良好铁电性和很强介电性的精细化工产品. BaTiO3原料作为电子工业和特种陶瓷等高新技术的重要基础原料，主要应用于多层陶瓷电容器（MLCC）、电子计算机的记忆元件、晶界陶瓷电容器、正温度系数热敏陶瓷（PSTR）、半导体陶瓷等. 电子产品的快速增长，使得对具有更小粒径、更高纯度、形貌均匀的BaTiO3原料的需求量越来越大.

1 实验部分

1.1 试剂与主要仪器

微波固相合成仪：T640，莱伯泰科有限公司；恒温磁力搅拌器：81-2，上海司乐仪器厂；电子天平：FA2004，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；电热鼓风恒温干燥箱：101-1A，上海讯能电热设备有限公司；X射线衍射仪：UItima IV，日本理学株式会社；激光粒度分析仪：RISE-2008，济南润之科技有限公司；扫描电子显微镜：JSM-7600F，日本电子株式会社.

1.2 实验操作

3）反应结束后，将反应液抽滤，再依次用稀醋酸酸洗、水洗、醇洗. 所得固体用烘箱在85℃下烘6 h，得到白色原料.

5）X射线衍射仪实验条件：Cu靶，工作电压40 kV，工作电流40 mA.

2 结果与分析

控制钡钛物质的量之比为1:1，溶液pH≥13，干燥时间和干燥温度（85℃）一定，做9组实验，用X射线衍射仪对合成原料进行晶相检测，用激光粒度分析仪测量粉体颗粒的粒度，用扫描电子显微镜扫描合成BaTiO3原料的表面形貌，用直观分析法对样品进行分析，找出最佳工艺参数.

2.1 实验正交方案

综合郭立童[3]、赵艳敏[5]等人的文献，本文选择反应温度、反应时间、反应物浓度作为正交试验方案的三个因素，具体见表1.

表1 试验因素水平

2.2 9个产物样品的晶面间距

BaTiO3原料烧结后活性更高，其介电性能和压电性能也大大提高. 晶面间距是衡量BaTiO3原料是否合格的重要指标，晶面间距小符合BaTiO3原料高纯细的追求. 晶面间距越小，说明BaTiO3晶体分布越窄. 通过XRD谱图生成的报告可以得到9个合成样品晶体（110）面的晶面间距，见表2.

表2 样品的晶面间距

从表3反应条件的极差值可以看出，对晶面间距而言，反应温度的极差最大，其次是反应物浓度，最次是反应时间. 所以，微波—水热法合成BaTiO3原料的最佳工艺条件：反应温度70 ℃，反应时间30 min，反应物浓度0.2 mol/L.

表3 极差分析

2.3 最佳工艺产品的检验

2.3.1 粒度

本文采用激光粒度分析仪测量微波—水热法在最佳工艺条件下合成原料的粉体颗粒粒度（图1），并与市售标准品的粉体颗粒粒度（图2）对比.

图1 最佳工艺合成粉体的粒度分布图

图2 市售标准品粒度分布图

从图1和图2可以看出：1）微波—水热法最佳工艺条件下合成的BaTiO3粉体平均颗粒粒度为0.967 μm，比市售标准品的平均颗粒粒度（2.337 μm）小2.4倍左右. 2）微波—水热法最佳工艺条件下合成的BaTiO3粉体的粒径分布比市售标准品的分布宽，说明合成的样品拥有更细的粒径，但是粒径大小分布的均匀性还有待提高.

2.3.2 表面形貌和晶体尺寸

SEM常用来观察样品表面形貌（断口等），本文采用SEM来测试最佳工艺条件下合成粉体的表面形貌和晶体尺寸，并与其他条件下的2个样品作对比，具体见图3、4、5.

图3的晶体为梭子形，原料的平均粒径在0.74 μm左右，形貌模糊，图形不规则，结晶纯度低. 图4的晶体中出现大圆球，有明显的团聚现象，表明原料质量较差. 图5的晶体形状为球形，颗粒分布均匀，没有团聚现象，晶体直径平均在50 nm，其表面形貌和晶体尺寸比较理想.

图3 反应温度70℃，反应时间10 min，反应物浓度0.3 mol/L的SEM图

图4 反应温度70℃，反应时间40 min，反应物浓度0.4 mol/L的SEM图

图5 最佳工艺粉体的SEM图

2.4 讨论

相比传统工艺，微波—水热法显示出了明显的优势，具体见表4.

表4 不同工艺的粒径比较

3 结论

本实验采用微波—水热法合成纳米BaTiO3原料的最佳工艺参数为：反应温度70 ℃，反应时间30 min，反应物浓度0.2 mol/L. 相比于传统工艺，微波—水热法更具优势，如加热速度快、反应温度低、反应时间短、反应条件更容易达到，合成产物的粒径更细、分散性好、表面形貌更均匀.

[1] 马麦霞，张光霞. 微波水热合成Mn掺杂BaTiO3纳米原料[J]. 硅酸盐通报，2010, 29(1): 108.

[2] 罗昆鹏，微波水热合成钛酸钡纳米原料[D]. 西安：西安科技大学，2009: 17-44.

[3] 郭立童，罗宏杰，郭立芝. 钛酸钡粉体的微波水热合成[J]. 中国陶瓷，2005, 41(1): 13.

[4] 吴东辉，施新宇，张海军. 草酸盐共沉淀法制备钛酸钡粉体研究[J]. 压电与声光，2009, 31(2): 252.

[5] 赵艳敏，冯绣丽，王公应. 超细钛酸钡粉体的水热合成[J]. 合成化学，2005, 13(3): 301-303.

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[责任编辑：熊玉涛]

Nano-BaTiO3Raw Materials Synthesized by Microwave-hydrothermal Method

CHEN Jian, YANG Hao-nan

(College of Chemistry and Environmental Engineering, Dongguan University of Technology,Dongguan 523808, China)

With the advantages of the hydrothermal method and microwave heating method, Barium Titanium Oxide (BaTiO3) raw materials are synthesized by using microwave-hydrothermal method. Threefactors with three levelsare considered in the experiment, thesyntheticpowders are tested and characterized via usingX-raydiffraction(XRD), laser particle size analysis instrument and scanning electronmicroscopy (SEM). Intuitiveanalysis is adopted to detect the experiment results, theoptimal parameters for Barium Titanium Oxide (BaTiO3) raw materials synthesizing is concluded：reaction temperature is 70 ℃，reaction time is 30 min, reactant concentration is 0.2 mol/L.

microwave-hydrothermal method; nano-BaTiO3 raw materials; laser particle size analysis

1006-7302（2013）01-0069-06

O611.4

A

2012-11-05

陈舰（1955—），男，四川自贡人，副教授，主要从事无机非金属材料的研究.