專利名稱：：鈦酸鋇和鐵酸鹽兩相共存的納米晶粒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及利用固相反應(yīng)方法制備的鈦酸鋇-鐵酸鹽兩相共存的納米晶粒。
背景技術(shù)：
：納米技術(shù)是一個(gè)新興科學(xué)，也是目前世界上備受矚目的幾個(gè)領(lǐng)域之一。當(dāng)材料的尺寸進(jìn)人納米量級(jí)時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出一些平時(shí)熟悉的大尺寸材料所不具有的性能。正是這些特性，吸引了眾多科學(xué)工作者的興趣。而制造成本高昂，則是困擾這些具有更優(yōu)異性能的納米材料被廣泛使用的一個(gè)重要原因，也限制了對(duì)其運(yùn)用前景的幵發(fā)。鈦酸鋇是一種傳統(tǒng)的壓電材料，大量的電容等電子元件都是用鈦酸鋇來(lái)制作的。而鐵酸鹽則是一種常規(guī)的磁性材料，比如說(shuō)鐵酸鈷(鈷鐵氧體等都是鐵磁體)就可以制作磁鐵，運(yùn)用于各種需要磁性的電子元件中(比如電壓放大器)。而當(dāng)把兩者結(jié)合在一起了，就可以達(dá)到多種響應(yīng)的效果。比如說(shuō)，外界環(huán)境中的磁場(chǎng)變化了，材料感受到這一變化會(huì)輸出一個(gè)電學(xué)方面的變化，比如說(shuō)輸出的電壓改變了。這就是傳感器的基本原理。而只需要鈦酸鋇和鐵磁體結(jié)合在一起(最簡(jiǎn)單的情況就是用膠水站在一起)，就可以制備一個(gè)具有基本功能的磁場(chǎng)傳感器了。目前，比較成熟的制作磁電傳感器的方法很多，但主要都是在大尺寸上的，比如剛剛提到了，簡(jiǎn)單的用膠水粘粘金屬玻璃和鋯鈦酸鉛兩種材料即可。而這些都主要集中在大尺寸材料上，而且使用膠水粘粘很難把磁致伸縮的應(yīng)變傳遞到壓電材料一方，大量的應(yīng)變都在界面損失掉了。納米鐵磁，鐵電復(fù)合材料的研究多在鍍膜領(lǐng)域，現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)就用化學(xué)氣相沉積和脈沖激光沉積。但這些方法都要求昂貴的設(shè)備，高真空系統(tǒng)。而且產(chǎn)率很低。這些都是限制納米技術(shù)商業(yè)化的瓶頸。而本發(fā)明卻可以解決這些問(wèn)題。本發(fā)明中利用固相反應(yīng)把上述兩類材料控制同步生長(zhǎng)在一個(gè)晶粒中。由鈦酸鋇提供的壓電性能和由鐵酸鹽提供的鐵磁性，順磁性以及磁制伸縮這兩方面截然不同的物理性能，在本發(fā)明合成的新晶粒中都能表現(xiàn)出。外界的磁性(或電性)變化，通過(guò)材料內(nèi)部相應(yīng)變傳遞之后，材料會(huì)表現(xiàn)出電性(或磁性)變化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供一種兩相共存的納米晶粒，在最終獲得的納米晶粒中，鈦酸鋇和鐵酸鹽始終保持著各自的晶體結(jié)構(gòu)，也保證了各自獨(dú)特性能；而彼此之間又是通過(guò)了納米級(jí)的位錯(cuò)和缺陷聯(lián)系在了一起，兩者的界面間存在一個(gè)較強(qiáng)的格子間應(yīng)力，這使得本發(fā)明中制備的新型納米材料可以運(yùn)用于磁電響應(yīng)這一極為廣泛的領(lǐng)域。本方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用固相反應(yīng)制備納米晶粒。這是一種操作簡(jiǎn)單，容易控制，廉價(jià)，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。相比其他納米材料的制備方法，本法還有高產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物是納米尺度上共生的，由晶格間的錯(cuò)排和位錯(cuò)來(lái)間接彼此，這樣一來(lái)，彼此之間晶格應(yīng)力就很強(qiáng)，使得鈦酸鋇的電致應(yīng)變能夠幾乎毫無(wú)損失的傳遞到了，鐵磁性的一方，產(chǎn)生較強(qiáng)的磁性能上的變化。這種通過(guò)晶格間的強(qiáng)相互作用完成的兩種性能應(yīng)變(磁性，電性)，今后制作磁電傳感器等領(lǐng)域有著極為重要的意義。本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，兩種可控形貌的產(chǎn)物都是在納米級(jí)別，這些納米材料本身就比體材料性能優(yōu)越，而且可以通過(guò)光刻，自組裝的方式形成各種微結(jié)構(gòu)，運(yùn)用于現(xiàn)代電子學(xué)等多種領(lǐng)域。本發(fā)明中采用醋酸鋇(Bariumacetate),二氧化鈦(Ti0。，氧化錳(MnO)，氧化鋅(ZnO)(或氧化鈷等，視需要可調(diào)整)，氧化鐵(Fe203),氯化鈉(NaCl)和任烷基酚聚乙二醇醚表面乳化劑NP-30(nonylphenylether),制備步驟為①Bariumacetate,Ti02,ZnO，MnO，F(xiàn)e203，NaCl以及NP-30以一定的摩爾比混合，形成相應(yīng)的富余樣品；②將所述富余樣品進(jìn)行充分研磨，超聲波震蕩處理至完全形成均勻混合物；③將所述均勻混合物放置于二氧化鋁陶瓷舟中，在800-900攝氏度空氣氣氛下反應(yīng)2-4小時(shí)(反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)顆粒尺寸越大)，待冷卻后反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水反復(fù)清洗幾次，如果反應(yīng)產(chǎn)物難以分散，清洗之前可以再次研磨，干燥之后，就得到了鈦酸鋇-鐵酸鹽兩相共存的納米晶粒。摩爾比可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行確定，鈦酸鋇較多則形成鈦酸鋇富余樣品，具有好的電學(xué)性能；鐵酸鹽較多則形成鐵酸鹽富余樣品，具有好的磁學(xué)性能。采用上述制備步驟得到的一種鈦酸鋇-鐵酸鹽兩相共存納米晶粒為鈦酸鋇和鐵酸鹽(富余)兩相共存納米16面體，該16面體由兩個(gè)8面金字塔形方錐組合而成，成上下對(duì)稱，前后左右對(duì)稱，顆粒尺寸不超過(guò)2微米，通常在200納米左右，表面基本光滑。另一種鈦酸鋇-鐵酸鹽兩相共存納米晶粒為鈦酸鋇(富余)和鐵酸鹽兩相共存納米棒，具有很大的長(zhǎng)徑比，但粗細(xì)均勻，長(zhǎng)度可以到達(dá)十幾個(gè)微米，而寬度和高度只有ioo納米左右，橫截面成八邊形，上下左右對(duì)稱。圖1,鈦酸鋇和鐵酸鹽(富余)兩相共存納米16面體掃描電鏡照片之一。圖2,鈦酸鋇和鐵酸鹽(富余)兩相共存納米16面體掃描電鏡照片之二(高倍)。圖3，鈦酸鋇(富余)和鐵酸鹽兩相共存納米棒掃描電鏡照片之一。圖4，鈦酸鋇(富余)和鐵酸鹽兩相共存納米棒掃描電鏡照片之二(高倍)。圖5,兩相共存區(qū)高分辨透射電鏡照片。具體實(shí)施例方式選用稍微組分復(fù)雜的錳鋅鐵氧體作為實(shí)施例(實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)需要改換成鈷鐵氧體或是鎳鐵氧體)，進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施方式及其效果。實(shí)施例一制備的具體步驟為，①Bariumacetate,Ti02，Zn0，MnO,Fe203，NaCl以及NP-30以摩爾比1:1:1:1:2:120:20混合，形成鐵酸鹽富余樣品；②將所述鐵酸鹽富余樣品進(jìn)行充分研磨，超聲波震蕩處理至完全形成均勻混合物；③將所述均勻混合物放置于二氧化鋁陶瓷舟中，在800-900攝氏度空氣氣氛下反應(yīng)2-4小時(shí)(反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)顆粒尺寸越大)，待冷卻后反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水反復(fù)清洗幾次，如果反應(yīng)產(chǎn)物難以分散，清洗之前可以再次研磨。所得到的反應(yīng)產(chǎn)物干燥之后，采用掃描電鏡進(jìn)行觀察分析,儀器型號(hào)為L(zhǎng)EO(Zeiss)1550,觀察條件為5V加速電壓，真空度為1.5x10—5Torr;采用X射線能譜儀分析，儀器型號(hào)為PHIQuanteraSXM,觀察條件為1.5xl(T'Torr,以及高分辨透射電鏡，儀器型號(hào)為FEITitan300進(jìn)行觀察，如附圖l-2所示，反應(yīng)產(chǎn)物中的納米晶粒為鈦酸鋇和鐵酸鹽(富余)兩相共存納米16面體，該16面體由兩個(gè)8面金字塔形方錐組合而成，成上下對(duì)稱，前后左右對(duì)稱，顆粒尺寸不超過(guò)2微米，通常在200納米左右，表面基本光滑。實(shí)施例二制備的具體步驟為，①Bariumacetate,Ti02,ZnO,MnO,Fe203，NaCl以及NP-30以摩爾比4:4:1:1:2:120:20混合，形成鈦酸鋇富余樣品；②將所述鈦酸鋇富余樣品進(jìn)行充分研磨，超聲波震蕩處理至完全形成均勻混合物；③將所述均勻混合物放置于二氧化鋁陶瓷舟中，在800-900攝氏度空氣氣氛下反應(yīng)2-4小時(shí)(反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)顆粒尺寸越大)，待冷卻后反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水反復(fù)清洗幾次，如果反應(yīng)產(chǎn)物難以分散，清洗之前可以再次研磨。所得到的反應(yīng)產(chǎn)物干燥之后,采用掃描電鏡進(jìn)行觀察分析,儀器型號(hào)為L(zhǎng)EO(Zeiss)1550,觀察條件為5V加速電壓，真空度為1.5xi(TTorr;采用X射線能譜儀分析，儀器型號(hào)為PHIQuanteraSXM，觀察條件為1.5xl(T'Torr,以及高分辨透射電鏡，儀器型號(hào)為FEITitan300進(jìn)行觀察，如附圖3-4所示，反應(yīng)產(chǎn)物中的納米晶粒為鈦酸鋇(富余)和鐵酸鹽兩相共存納米棒，具有很大的長(zhǎng)徑比，伹粗細(xì)均勻，長(zhǎng)度可以到達(dá)十幾個(gè)微米，而寬度和高度只有100納米左右，橫截面成八邊形，上下左右對(duì)稱。附圖5所示鈦酸鋇晶體和錳鋅鐵氧體晶體以及彼此之間的界面。圖片中注明了鈦酸鋇(BTO)和錳鋅鐵氧體(MZF)的晶格常數(shù)0.4025納米和0.8436納米。兩者之間一個(gè)寬度大約4納米的過(guò)渡層。BTO區(qū)域和MZF區(qū)域各自插人一張本區(qū)域的復(fù)葉利變化算出的電子衍射斑點(diǎn)。表格一，x射線能譜(XPS)測(cè)試兩種樣品中的原子比例<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1.一種鈦酸鋇和鐵酸鹽兩相共存納米晶粒的制備方法，包括原料和反應(yīng)條件，其特征在于，采用醋酸鋇，二氧化鈦，氧化錳，氧化鋅，氧化鐵，氯化鈉和任烷基酚聚乙二醇醚表面乳化劑，制備步驟為①醋酸鋇，二氧化鈦，氧化錳，氧化鋅，氧化鐵，氯化鈉和任烷基酚聚乙二醇醚表面乳化劑以一定的摩爾比混合，形成相應(yīng)的富余樣品；②將所述富余樣品進(jìn)行充分研磨，超聲波震蕩處理至完全形成均勻混合物；③將所述均勻混合物放置于二氧化鋁陶瓷舟中，在800—900攝氏度空氣氣氛下反應(yīng)2-4小時(shí)，待冷卻后反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水反復(fù)清洗幾次，得到了鈦酸鋇-鐵酸鹽兩相共存納米晶粒。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟③中，當(dāng)所述反應(yīng)產(chǎn)物難以分散時(shí)，在清洗反應(yīng)產(chǎn)物之前對(duì)其再次研磨。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，步驟①中，醋酸鋇，二氧化鈦，氧化錳，氧化鋅，氧化鐵，氯化鈉和任烷基酚聚乙二醇醚表面乳化劑以摩爾比1:1:1:1:2:120:20混合。4.一種根據(jù)權(quán)利要求3所述制備方法制備的鈦酸鋇和鐵酸鹽兩相共存納米晶粒，其特征在于，所述納米晶粒為鈦酸鋇和鐵酸鹽(富余)兩相共存納米16面體，該16面體由兩個(gè)8面金字塔形方錐組合而成，成上下對(duì)稱，前后左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，最大尺寸不超過(guò)2微米，表面基本光滑。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，步驟①中，醋酸鋇，二氧化鈦，氧化錳，氧化鋅，氧化鐵，氯化鈉和任烷基酚聚乙二醇醚表面乳化劑以摩爾比4:4:1:1:2:120:20混合。6.—種根據(jù)權(quán)利要求5所述制備方法制備的鈦酸鋇和鐵酸鹽兩相共存納米晶粒，其特征在于，所述納米晶粒為鈦酸鋇(富余)和鐵酸鹽兩相共存納米棒，該納米棒具有很大的長(zhǎng)徑比，但粗細(xì)均勻，長(zhǎng)度可以到達(dá)十幾個(gè)微米，而寬度和高度僅有100-200納米，橫截面成八邊形，上下，左右對(duì)稱。全文摘要本發(fā)明選用廉價(jià)無(wú)毒的金屬氧化物作為主要反應(yīng)物，通過(guò)固相反應(yīng)，可以以較低的成本，簡(jiǎn)單的操作控制，無(wú)污染的制備出鈦酸鋇和鐵酸鹽兩相共存的納米材料。通過(guò)不同的原料配方，可以得到兩種不同的產(chǎn)物鈦酸鋇(富余)和鐵酸鹽兩相共存納米棒和鈦酸鋇和鐵酸鹽(富余)兩相共存納米16面體。這些兩項(xiàng)共存納米材料，具有特別的磁電相應(yīng)特性，納米材料所具有的小尺寸效應(yīng)，以及納米棒所有具有的高長(zhǎng)徑比等優(yōu)異性能，可以廣泛的運(yùn)用于電子器件，特別是傳感器等多種領(lǐng)域。文檔編號(hào)C04B35/64GK101423979SQ20081005887公開(kāi)日2009年5月6日申請(qǐng)日期2008年9月2日優(yōu)先權(quán)日2008年9月2日發(fā)明者華李申請(qǐng)人:昆明健為建筑裝飾工程有限公司