本發(fā)明涉及一種單分散二氧化鈦微球及制備方法和應(yīng)用,屬于壓敏材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的用單分散二氧化鈦制備的壓敏陶瓷材料具有燒結(jié)溫度低,致密度提高,介電常數(shù)εr大的優(yōu)良綜合的特點。
背景技術(shù):
二氧化鈦(tio2)晶體在自然環(huán)境中存在銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型3種結(jié)構(gòu)。在高溫條件下,銳鈦礦型和板鈦礦型結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型結(jié)構(gòu),故經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的二氧化鈦陶瓷通常呈現(xiàn)金紅石型結(jié)構(gòu)。因tio2晶體材料具有高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性良好、催化效率高、無毒無污染等特性而被廣泛地應(yīng)用在陶瓷、壓敏電阻、壓電設(shè)備等領(lǐng)域。二氧化鈦基壓敏陶瓷是利用多種氧化物的混合,使晶粒變成半導(dǎo)體。二氧化鈦基壓敏陶瓷具有高的介電常數(shù),廣泛的應(yīng)用在電容性器件中。單分散粉體具有均勻的粒徑和形狀,粒徑細、比表面大,能避免異常晶粒的生長。這樣不僅可以顯著降低燒結(jié)溫度,而且在燒成后期可保證形成晶粒的均勻生長,并使氣孔率下降,從而可獲得均勻的、致密的燒結(jié)體。單分散是指顆粒的大小,形狀和組分完全一致的分散體系。單分散的特征是形貌的統(tǒng)一,大小的一致,晶形的控制。粉體材料的分散性與材料特定的尺寸和形狀等特征有直接的關(guān)系。陶瓷材料的燒結(jié)溫度和燒成收縮均與顆粒粒徑和比表面積有關(guān)。燒成后期的氣孔消失和晶粒長大也與粉體的均勻度相關(guān)。
一般的二氧化鈦晶體分散性差,故其陶瓷的燒結(jié)溫度高,孔隙率高,且非線性系數(shù)α及相對介電常數(shù)εr較小。例如,文獻1(li.c.petal,materialsletters.,57(2003)1400)和文獻2(chang.xetal,journalofmaterialschemistrya.3(2015)5805)近年報道了實施(nb,y)共摻雜的二氧化鈦基陶瓷材料的燒結(jié)性能和電性能。目前,制備單分散球形tio2粉體的方法有很多,主要有溶膠凝膠法、水熱法、硫酸鹽法等。其中,溶膠凝膠法制備單分散球形tio2粉體技術(shù)比較成熟,原料易得,如文獻3(dehong.chenetal,j.am.chem.soc.,132(2010)4438)報道了用有機鈦鹽溶解于無水乙醇中,加入一定量的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,轉(zhuǎn)變成溶膠,經(jīng)熱處理得到單分散球形tio2粉體。本項目通過一種簡單的溶膠凝膠法,以鈦酸四異丙酯作為鈦源,選用hda作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,無水乙醇作為溶劑,加入氯化鉀和超純水,制備單分散二氧化鈦微球,再將二氧化鈦,五氧化二鈮,三氧化釔按一定比例混合,制成二氧化鈦基陶瓷。通過不同煅燒溫度,研究陶瓷的燒結(jié)性能和電性能。
本項目的優(yōu)點在于,單分散球形tio2粉體具有均勻的粒徑和形狀,粒徑細、比表面大,能避免異常晶粒的生長。這樣不僅可以顯著降低燒結(jié)溫度,而且在燒成后期可保證形成晶粒的均勻生長,并使氣孔率下降,從而可獲得均勻的、致密的細晶燒結(jié)體。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對上述情況,本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上研究用單分散球狀tio2粉體制備二氧化鈦基陶瓷,提供一類具有良好綜合燒結(jié)性能和電性能的二氧化鈦基陶瓷材料。
解決上述問題所采取的技術(shù)方案是該復(fù)合陶瓷由下述方法制備而成:
1.制備單分散球狀二氧化鈦粉體
將鈦酸異丙酯(tip)溶于無水乙醇溶劑中,再加入十六胺(hda),常溫攪拌后加入kcl溶液和超純水,繼續(xù)攪拌得到乳白色膠體溶液,將此溶液靜置后得到溶膠;溶膠經(jīng)過離心機分離,并用乙醇洗滌,所得到白色產(chǎn)物干燥后的得到的白色粉末經(jīng)過熱處理,得到單分散tio2白色粉末。
上述步驟1中,hda、超純水、kcl、無水乙醇、鈦酸異丙酯的物質(zhì)的量的比是0.24:1.75:5×10-3:214.38:1.0。
所述kcl溶液的濃度為0.1m。
常溫攪拌1小時,靜置18小時。
所述干燥溫度為80℃;熱處理溫度為500℃,熱處理時間為2小時。
2.制備單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉
按照nb0.001y0.006ti0.993o2的化學(xué)計量比,將原料nb2o5、y2o3和單分散tio2白色粉末以去離子水為介質(zhì),常溫下攪拌,然后干燥,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉。
所述攪拌時間為4小時,所述干燥指在80℃干燥12小時。
3.燒結(jié)單分散球狀二氧化鈦基陶
向單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉加入其質(zhì)量5%~10%的質(zhì)量分數(shù)為5%的聚乙烯醇(pva)溶液,造粒,過100目篩,用粉末壓片機制成圓柱形生胚,將圓柱形生胚在空氣中以3℃/分鐘的升溫速率升至1100~1250℃,保溫2小時,然后降至室溫。
所述保溫溫度優(yōu)選為1200℃。
4.燒銀電極
將步驟3中得到的陶瓷上下表面分別涂覆銀漿,120℃干燥后,置于馬弗爐中550℃燒銀15分鐘,然后降至室溫,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷材料。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果:(1)使用溶膠凝膠法,無需大型昂貴設(shè)備,成本低,能夠大規(guī)模生產(chǎn);(2)本發(fā)明制備的二氧化鈦分體具有分散性好,尺寸均一等特征;(3)通過單分散球狀的二氧化鈦制備出來的二氧化鈦基復(fù)合陶瓷相比較與一般的二氧化鈦基復(fù)合陶瓷的燒結(jié)溫度較低,致密化提高,并且具有良好的電性能。
附圖說明
圖1為實施例1~4制備樣品的單分散二氧化鈦微球,由圖可以看出二氧化鈦微球的分散性良好,形貌大小均一。
圖2為實施例3制備樣品的單分散二氧化鈦基復(fù)合陶瓷的斷面掃面電鏡圖,由圖可以看出燒結(jié)溫度在1200℃時,孔隙率減少,致密化程度提高。
表1為實施例1~4制備樣品的單分散二氧化鈦基復(fù)合陶瓷的電性能,由表可以看出,燒結(jié)溫度在1200℃時,非線性系數(shù)和介電常數(shù)達到最大。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明
實施例1
稱取4.53ml的鈦酸異丙酯溶于100ml的無水乙醇溶劑中,記為溶液a;再加入0.90g的十六胺;常溫攪拌1小時后再加入0.8ml0.1m的kcl和0.51ml的超純水,繼續(xù)攪拌得到乳白色膠體溶液,將此溶液靜置18小時后得到溶膠;溶膠經(jīng)過離心機分離,并用乙醇洗滌數(shù)次,所得到白色產(chǎn)物80℃干燥;將干燥后的白色粉末經(jīng)過500℃的熱處理2h,得到單分散tio2白色粉末。
按照nb0.001y0.006ti0.993o2的化學(xué)計量比,將原料nb2o5、y2o3和單分散tio2白色粉末加入三口燒瓶中,以去離子水為介質(zhì),常溫下充分攪拌4小時,然后在80℃下干燥12小時,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉。
向單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉加入其質(zhì)量5%~10%的質(zhì)量分數(shù)為5%的聚乙烯醇(pva)溶液,造粒,過100目篩,用粉末壓片機制成圓柱形生胚,將圓柱形生胚在空氣中以3℃/分鐘的升溫速率升至1100℃,保溫2小時,然后降至室溫。
將步驟3中得到的陶瓷上下表面分別涂覆銀漿,120℃干燥后,置于馬弗爐中550℃燒銀15分鐘,然后降至室溫,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷材料。
實施例2
稱取4.53ml的鈦酸異丙酯溶于100ml的無水乙醇溶劑中,記為溶液a;再加入0.90g的十六胺;常溫攪拌1小時后再加入0.8ml0.1m的kcl和0.51ml的超純水,繼續(xù)攪拌得到乳白色膠體溶液,將此溶液靜置18小時后得到溶膠;溶膠經(jīng)過離心機分離,并用乙醇洗滌數(shù)次,所得到白色產(chǎn)物80℃干燥;將干燥后的白色粉末經(jīng)過500℃的熱處理2h,得到單分散tio2白色粉末。
按照nb0.001y0.006ti0.993o2的化學(xué)計量比,將原料nb2o5、y2o3和單分散tio2白色粉末加入三口燒瓶中,以去離子水為介質(zhì),常溫下充分攪拌4小時,然后在80℃下干燥12小時,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉。
向單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉加入其質(zhì)量5%~10%的質(zhì)量分數(shù)為5%的聚乙烯醇(pva)溶液,造粒,過100目篩,用粉末壓片機制成圓柱形生胚,將圓柱形生胚在空氣中以3℃/分鐘的升溫速率升至1150℃,保溫2小時,然后降至室溫。
將步驟3中得到的陶瓷上下表面分別涂覆銀漿,120℃干燥后,置于馬弗爐中550℃燒銀15分鐘,然后降至室溫,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷材料。
實施例3
稱取4.53ml的鈦酸異丙酯溶于100ml的無水乙醇溶劑中,記為溶液a;再加入0.90g的十六胺;常溫攪拌1小時后再加入0.8ml0.1m的kcl和0.51ml的超純水,繼續(xù)攪拌得到乳白色膠體溶液,將此溶液靜置18小時后得到溶膠;溶膠經(jīng)過離心機分離,并用乙醇洗滌數(shù)次,所得到白色產(chǎn)物80℃干燥;將干燥后的白色粉末經(jīng)過500℃的熱處理2h,得到單分散tio2白色粉末。
按照nb0.001y0.006ti0.993o2的化學(xué)計量比,將原料nb2o5、y2o3和單分散tio2白色粉末加入三口燒瓶中,以去離子水為介質(zhì),常溫下充分攪拌4小時,然后在80℃下干燥12小時,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉。
向單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉加入其質(zhì)量5%~10%的質(zhì)量分數(shù)為5%的聚乙烯醇(pva)溶液,造粒,過100目篩,用粉末壓片機制成圓柱形生胚,將圓柱形生胚在空氣中以3℃/分鐘的升溫速率升至1200℃,保溫2小時,然后降至室溫。
將步驟3中得到的陶瓷上下表面分別涂覆銀漿,120℃干燥后,置于馬弗爐中550℃燒銀15分鐘,然后降至室溫,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷材料。
實施例4
稱取4.53ml的鈦酸異丙酯溶于100ml的無水乙醇溶劑中,記為溶液a;再加入0.90g的十六胺;常溫攪拌1小時后再加入0.8ml0.1m的kcl和0.51ml的超純水,繼續(xù)攪拌得到乳白色膠體溶液,將此溶液靜置18小時后得到溶膠;溶膠經(jīng)過離心機分離,并用乙醇洗滌數(shù)次,所得到白色產(chǎn)物80℃干燥;將干燥后的白色粉末經(jīng)過500℃的熱處理2h,得到單分散tio2白色粉末。
按照nb0.001y0.006ti0.993o2的化學(xué)計量比,將原料nb2o5、y2o3和單分散tio2白色粉末加入三口燒瓶中,以去離子水為介質(zhì),常溫下充分攪拌4小時,然后在80℃下干燥12小時,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉。
向單分散球狀二氧化鈦基陶瓷粉加入其質(zhì)量5%~10%的質(zhì)量分數(shù)為5%的聚乙烯醇(pva)溶液,造粒,過100目篩,用粉末壓片機制成圓柱形生胚,將圓柱形生胚在空氣中以3℃/分鐘的升溫速率升至1250℃,保溫2小時,然后降至室溫。
將步驟3中得到的陶瓷上下表面分別涂覆銀漿,120℃干燥后,置于馬弗爐中550℃燒銀15分鐘,然后降至室溫,得到單分散球狀二氧化鈦基陶瓷材料。
采用場發(fā)射掃描電鏡,阿基米德法對產(chǎn)品進行分析;圖1證明了成功制備出單分散的二氧化鈦微球;圖2和表1證明了用單分散的二氧化鈦微球制備出的二氧化鈦基復(fù)合陶瓷可降低陶瓷的燒結(jié)溫度,提高致密化,具有良好的電性能。
表1