水热法制备BaTiO3纳米粉体

汤黎辉，张群飞，马金明，肖长江，栗正新

摘 要：本文旨在分析 BaTiO3纳米粉体的合成方式及合成粉末的样本表征，采取水热法合成方法，合成得到钛酸钡。通过 X 射线衍射、扫描电子显微镜表征手段以及JADE、Origin等软件的分析，得出其物相、晶体结构、颗粒大小以及外观形貌。经过实验，使用水热法合成方式，能够制备出高品质的钛酸钡纳米粉末。结果表明：用水热法得到了纯的钛酸钡粉体，粉体的晶粒大小较均匀，晶粒尺寸约为39.51nm，粉体的晶体结构为四方结构，形貌为类球形。

关键词：钛酸钡；纳米粉体；水热法；晶体结构；晶粒尺寸

1 前言

由于具有出色的介电性能，钛酸钡（BaTiO3）已经成功地发展出了各种电子器件，如多层陶瓷电容器、正温度系数热敏电阻、动态随机存储器、声呐传感器、压电换能器以及各种光电子元件，从而在电子领域发挥着重要的作用，并且已经成为电子陶瓷领域的主要原材料[1，2]。

目前制备钛酸钡粉体最常用的方法主要有固相法、共沉淀法、微乳液合成方法、水解溶胶-凝胶法等。固相法作为一种传统的合成工艺，具有制备产率高，操作简单等优点，但是，这种合成方法在制备过程中存在合成温度高、合成的粉体颗粒粗大、较高的杂质含量以及组分均匀度不高等缺点，一般作为低端产品合成时的首选工艺。共沉淀法制备钛酸钡粉体难以形成均匀的沉淀物，而且颗粒容易团聚，粒径分布宽，产品质量不稳定[3]。微乳液合成方法制备产物需要大量助剂、改性剂和有机剂，导致成本较高，而且还易引入杂质且产能有限，所以该合成方法目前还没有被广泛的使用，仅仅处于实验室研究中[4]。凝胶法虽然可行，但由于技术复杂、时间较久，使得它的水解效果不易掌握。相比之下，水热法更加经济实惠，可以在较短的时间内完成钛酸钡的生产，同时也能够保证产品的质量， 能够满足更严格的质量标准[5]。

水热法合成粉体，能够在低温水溶液中得到分散性好的 BaTiO3 超细粉体，合成的粉体晶粒发育比较完整，并且在水热法实验过程中，不需要经历高温的煅烧以及后期的球磨过程，进而可以避免了杂质的引入和球磨对粉体结构的破坏，从而有效地消除了杂质及其他形态问题，故文章实验采用水热法制备BaTiO3纳米粉体，并对其进行深入研究。

2.实验

2.1实验过程

首先称取0.02mol的钛酸四丁酯Ti（OC4H9）4 ，用吸管将其缓慢添加并溶解于醇溶液（25ml）中，然后采用上海尚仪磁力搅拌器，型号SN-MS-H，对溶解的溶液进行磁力搅拌，时长30分钟，搅拌完成后，得到钛的前驱体溶液。再称取0.024mol的Ba（OH）2粉末， 将其溶解于40mL的去离子水中，同样采用上述磁力搅拌仪器，磁力搅拌，直至粉末完全溶解，继续搅拌2分钟，得到钡的前驱体溶液。上述完成后，用滴管取钛的前驱体溶液缓慢滴加至钡的前驱体溶液中，并且在整个滴加过程中要一直保持磁力搅拌器处于搅拌工作状态，滴加完成后，继续搅拌5分钟，使混合进行的比较完全。两份前驱体混合均匀后，将混合溶液倒入100mL聚四氟乙烯材质内胆中，这里需要注意内胆的填充度不能超过80%，然后对内胆进行密封处理，将高压反应釜拧紧，然后垂直放入恒温干燥箱，设定恒温箱温度为160℃，恒温时间为24h。24h后，反应完成，此时去除掉上层的清液，得到沉淀物，然后分别取5%醋酸溶液、水、无水乙醇依次反复清洗并对清洗液进行离心处理，最后得到洗好的样品。将样品装入蒸发皿中，再次放入恒温干燥箱内，设置设定恒温箱温度为60℃，恒温时间为24h，得到干燥的样品，研磨过筛后，就得到钛酸钡样品的白色粉末。装入密封袋中，等待下一步的检测。其整个BaTiO3纳米粉体制作流程如图1。

2.2样品表征

通过X射线衍射仪（D8 Advance，Bruker，Cu-Kα，λ=0.15406nm）对制备粉体样品的物相特征进行扫描分析，扫描过程中，扫描角度为10°-90°。通过扫描电子显微镜分析仪（JEOL JSM- 6010）对制备粉末样品的微观结构进行详细分析。

3.结果与讨论

3.1样品的晶体结构分析

对制备的BaTiO3粉体进行XRD扫描分析，经过MDI JADE软件和Origin软件分析得到如图2所示的BaTiO3粉体XRD图。从图2中可以看出：BaTiO3粉体XRD中的峰很尖锐，且强度较高，峰型显示的很好，说明本次所制备的BaTiO3粉末样品的结晶性好，并且经过对比PDF标准卡片NO：79-2263，可以确定此次水热法制备的样品为纯的BaTiO3粉末，晶体结构为四方相，没有其他杂相。

为了进一步得出合成所得BaTiO3粉体的晶粒尺寸，再次采用步进扫描的方式对样品进行了XRD扫描分析。扫描分析2θ在38°-40°范围内，扫描速度为1°/min，对扫描结果进行拟合得到如图3所示。从R平方数值0.98615可以看出，拟合度很高，峰值拟合很成功。利用 Debye - Scheme公式来计算，峰值β=0.2132，θ=38.87227，计算得出晶粒尺寸D=39.51nm。由谢乐公式计算可知晶粒尺寸约为39.51nm。

3.2样品的微观形貌分析

水热法制备的BaTiO3納米粉体的SEM如图4所示。从图4中可以看出：在标尺下，很明显可以看出，晶粒尺寸在纳米范围。并且粉体颗粒整体分散性好，颗粒与颗粒之间的堆积密实，晶粒形貌呈现类球形，为了进一步得到晶粒尺寸，对图4进行了粒径分布计算，利用Nano Measurer1.2软件对粒径进行分析，随机选取了30个晶粒进行测量得出如表1所列数据。

分析表1数据，可以看出，33.4-55.4nm粒径的颗粒占比达到了76.67%，粒径尺寸在40nm左右的数量占比很大，说明此次合成的粉体，粒径均匀性很好，从整体数据看，最大粒径为72.89nm，最小粒径为30.13nm，平均粒径为42.48nm。与谢乐公式计算粒径D=39.51nm，数值相近。故粒径尺寸结果可采用D=39.51nm的结论。

4.结论

通过采用水热法合成方式，成功地制备出钛酸钡纳米粉末，经X射线衍射和扫描电子显微镜对制备的纳米粉体进行表征。BaTiO3粉体XRD峰尖锐且强度高，没有杂相，形貌呈类球形状，晶体结构为四方结构，晶粒大小较均匀，晶粒尺寸约为39.51nm。

参考文献

[1].Singh P K， Cochrane S， Liu W T，et al. High - frequency Response of Capacitors Fabricated from Fine Grain BaTiO3 Thin Films[J].Applied Physics Letters，1995，66（26）：3683-3685．

[2].Cai W，Rao T，Wang A，et al.A Simple and Controllable Hydrothermal Route for the Synthesis of Monodispersed Cube-like Barium Titanate Nanocrystals[J].Ceramics International，2015，41（3）：4514-4522．

[3].凌 云，江伟辉，刘健敏，等.非水解溶胶-凝胶法低温合成钛酸钡粉体[J].人工晶体学报.2016，45（12）：2801-2806.

[4].章秋晨.微波固相合法成纳米酸钡粉及性能研究[D]，桂林：桂林电子科技大学，2020.

[5].邵志鹏，江伟辉，冯果，等. 沉淀法和NHSG法制备钛酸钡纳米粉体的对比研究[J].陶瓷学报，2016.37（1）：44-48.