一種微米級球形磷酸鎵的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微米級球形磷酸鎵的制備方法，該方法為將Ga2O3和磷酸溶液加入到密閉反應(yīng)釜內(nèi)，加熱攪拌反應(yīng)直至反應(yīng)液澄清；再敞開反應(yīng)釜，加熱至反應(yīng)液沸騰進(jìn)行蒸發(fā)，直至粘稠后，向反應(yīng)釜內(nèi)加入純水稀釋，再密閉反應(yīng)釜，加熱反應(yīng)，同時通入氬氣，自然冷卻，過濾，烘干，得到純度高、具有微米級球形形貌的磷酸鎵粉末，該方法操作簡單，成本低，無需采用任何添加劑，避免了雜質(zhì)的引入，提高產(chǎn)物純度。
【專利說明】
一種微米級球形磷酸鎵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種磷酸鎵的制備方法，尤其涉及一種微米級球形磷酸鎵的制備方法，屬于壓電材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料，1880年，法國物理學(xué)家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差(稱之為正壓電效應(yīng))，反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力(稱為逆壓電效應(yīng))。如果壓力是一種高頻震動，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號(機(jī)械震動)，這就是我們平常所說的超聲波信號。壓電材料是一種節(jié)能型環(huán)保材料，綠色安全，不會產(chǎn)生有毒有害的殘留物質(zhì)，其應(yīng)用不受場地限制，也不需要專設(shè)場地，其應(yīng)用的伸縮性及活動性強(qiáng)。同時利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，可大批量生產(chǎn)。石英是壓電晶體的代表，利用石英的壓電效應(yīng)可以制成振蕩器和濾波器等頻控元件，但石英壓電性較弱，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限，磷酸鎵作為一種類石英晶體，它幾乎具有石英所有的優(yōu)點(diǎn)，即沒有一階熱電性，存在壓電振蕩器和濾波器所需要的溫度補(bǔ)償切型，并且具有很高的電阻率，但它的機(jī)電耦合系數(shù)卻比石英高很多，在高達(dá)933°C時物理特性也只有很小的變化，因此用其制作的器件有優(yōu)良的熱動力特性，很高而又非常穩(wěn)定的靈敏度以及非常好的線性，在測量精度以及可靠性方面都大大超過石英制作的器件。
[0003]目前，磷酸鎵的制作方式主要有水熱/溶劑熱、高溫溶液生長法，制作過程中通過加入添加劑反應(yīng)而引入的雜質(zhì)容易影響最終產(chǎn)品的純度，高溫的制作方法又難以達(dá)到制作小尺寸磷酸家的目的，現(xiàn)有的水熱/溶劑熱方法都引入了C1、N等雜質(zhì)元素，且不能生成球狀的磷酸鎵，而在最終生成磷酸鎵產(chǎn)品之后再進(jìn)行提純，這大大降低了產(chǎn)品的純度，直接影響后續(xù)壓電器件的使用效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中磷酸鎵的制備方法存在的缺陷，本發(fā)明的目的是在于提供一種純度高且具有微米級球形形貌的磷酸鎵的制備方法。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種微米級球形磷酸鎵的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0006]I)將Ga2O3和磷酸溶液加入到反應(yīng)釜內(nèi)，密閉反應(yīng)釜，加熱至80?90°C攪拌反應(yīng)，直至反應(yīng)液澄清；
[0007]2)敞開反應(yīng)釜，加熱至反應(yīng)液沸騰進(jìn)行蒸發(fā)，直至粘稠后，向反應(yīng)釜內(nèi)加入純水稀釋，再密閉反應(yīng)釜，加熱至90?110°C，保溫40?80分鐘;再進(jìn)一步加熱至120?180°C，同時向反應(yīng)釜內(nèi)通入氬氣至反應(yīng)釜內(nèi)壓力達(dá)到3?5MPa，維持60?180分鐘后，自然冷卻，過濾，烘干，得到微米級球形磷酸鎵粉末。
[0008]優(yōu)選的方案，磷酸溶液質(zhì)量百分比濃度為10?80% ;較優(yōu)選為40?60%。
[0009]優(yōu)選的方案，Ga2O3純度為99.999 %。
[0010]較優(yōu)選的方案，磷酸溶液與Ga2O3的質(zhì)量比為7?3:1，較優(yōu)選為3:1。
[0011]優(yōu)選的方案，水一般采用純水，避免雜質(zhì)的引入。
[0012]本發(fā)明方法能夠獲得高純度球形磷酸鎵，其關(guān)鍵步驟在于:1、首先采用磷酸溶解G2O3后，通過加熱直接蒸發(fā)去除多余磷酸，無需加入堿中和多余的酸，且避免了堿離子對后續(xù)磷酸鎵形貌以及純度的影響；2、采用分步反應(yīng)制備標(biāo)準(zhǔn)球形形貌的磷酸鎵，先加熱至90?110°C，保溫40?80分鐘；再進(jìn)一步加熱至120?180°C，同時向反應(yīng)釜內(nèi)通入氬氣至反應(yīng)釜內(nèi)壓力達(dá)到3?5MPa，其目的使先在90?110°C溫度下生長出球形磷酸鎵籽晶，再進(jìn)一步在后續(xù)溫度120?180°C以及壓力3?5MP條件下，在本發(fā)明的高溫高壓水熱條件下，溶液中磷酸根離子能夠抑制磷酸鎵晶體在同一方向的單向生長，讓晶體在XYZ方向同時生長，從而磷酸鎵晶體穩(wěn)定生長得到微米級球形磷酸鎵晶體。
[0013]相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果:
[0014]1、本發(fā)明制備的Ga2O3純度高，高達(dá)99.999%。
[0015]2、本發(fā)明制備的磷酸鎵粉末尺寸為微米級，形貌為球形。
[0016]3、本發(fā)明的制備方法操作簡單，成本低，無需采用任何添加劑，避免了雜質(zhì)的引入，提高產(chǎn)物純度。
【附圖說明】
[0017]【圖1】為實(shí)施例1制備的微米級球形磷酸鎵粉末X衍射圖；
[0018]【圖2】為實(shí)施例1制備的微米級球形磷酸鎵粉末的掃描電鏡圖;A為X500掃描電鏡圖；B為X 5000掃描電鏡圖；C為X 10000掃描電鏡圖；
[0019]【圖3】為實(shí)施例1制備的微米級球形磷酸鎵粉末粒徑分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下實(shí)施例旨在進(jìn)一步說明本
【發(fā)明內(nèi)容】
，而不是限制本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0021]以下實(shí)施例中涉及的磷酸為UP級;Ga2O3為5N級(99.999%)，均為市售常規(guī)產(chǎn)品。
[0022]實(shí)施例1
[0023]I)在聚四氟乙烯反應(yīng)釜中加入0.3kg質(zhì)量百分比濃度為50%的磷酸，以及0.1kg純度99.999 %的Ga2O3，密閉反應(yīng)釜，加熱攪拌至溶液澄清。
[0024]2)敞開密封反應(yīng)釜，將澄清液加熱蒸發(fā)至粘稠狀(蒸發(fā)水和過量磷酸)，加入粘稠物3倍溶液體積的純水稀釋，再密閉反應(yīng)釜，升溫至80°C，保溫60分鐘，然后升溫到120°C，同時通入99.999%氬氣，維持壓力在3兆帕，維持時間160分鐘，然后自然冷卻將至室溫，產(chǎn)物過濾烘干后即得到微米級球形磷酸鎵粉末。
[0025]制備的微米級球形磷酸鎵粉末的XRD圖如圖1所示，從圖1中可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)的磷酸鎵相比，其基本無雜質(zhì)峰出現(xiàn)，表明其純度高。微米級球形磷酸鎵粉末的形貌及粒徑分布可以從圖2和圖3中看出，其形貌為標(biāo)準(zhǔn)的球形，且粒徑分布均勻，具有微米尺寸。
[0026]實(shí)施例2
[0027]I)在聚四氟乙烯反應(yīng)釜中加入0.9kg，質(zhì)量百分比濃度為50 %的UP級磷酸，以及0.3kg純度99.999 %的Ga2O3，密閉反應(yīng)釜，加熱攪拌至溶液澄清。
[0028]2)敞開密封反應(yīng)釜，將澄清液加熱蒸發(fā)至粘稠狀(蒸發(fā)水和過量磷酸)，加入粘稠物4倍溶液體積的純水稀釋，再密閉反應(yīng)釜，升溫至100°C，保溫60分鐘，然后升溫到180°C，同時通入99.999 %氬氣，維持壓力在5兆帕，時間80分鐘，然后自然冷卻將至室溫，產(chǎn)物過濾烘干后即得到微米級球形磷酸鎵粉末;得到的磷酸鎵粉末純度及形貌與實(shí)施例1相近。
【主權(quán)項】
1.一種微米級球形磷酸鎵的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)將Ga2O3和磷酸溶液加入到反應(yīng)釜內(nèi)，密閉反應(yīng)釜，加熱至80?90°C攪拌反應(yīng)，直至反應(yīng)液澄清； 2)敞開反應(yīng)釜，加熱至反應(yīng)液沸騰進(jìn)行蒸發(fā)，直至粘稠后，向反應(yīng)釜內(nèi)加入純水稀釋，再密閉反應(yīng)釜，加熱至90?110°C，保溫40?80分鐘;再進(jìn)一步加熱至120?180°C，同時向反應(yīng)釜內(nèi)通入氬氣至反應(yīng)釜內(nèi)壓力達(dá)到3?5MPa，維持60?180分鐘后，自然冷卻，過濾，烘干，得到微米級球形磷酸鎵粉末。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微米級球形磷酸鎵的制備方法，其特征在于:所述的磷酸溶液質(zhì)量百分比濃度為10?80%。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微米級球形磷酸鎵的制備方法，其特征在于:所述的磷酸溶液質(zhì)量百分比濃度為40?60%。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微米級球形磷酸鎵的制備方法，其特征在于:所述的Ga2O3純度為99.999 %。5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項所述的微米級球形磷酸鎵的制備方法，其特征在于:所述的磷酸溶液與Ga2O3的質(zhì)量比為7?3:1。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微米級球形磷酸鎵的制備方法，其特征在于:所述的磷酸溶液與Ga203的質(zhì)量比為3:1。
【文檔編號】C01B25/37GK105967162SQ201610571110
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月19日
【發(fā)明人】趙科湘, 趙家浩
【申請人】株洲科能新材料有限責(zé)任公司