[发明专利]一种钽酸锂纳米粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能陶瓷粉体技术领域，具体涉及一种钽酸锂纳米粉体及其制备方法。

背景技术

钽酸锂(LiTaO₃，简称LT)是目前研究得最多、应用十分普遍的压电、铁电和电光材料。熔点高达1630℃，居里点可达到630℃，具有机电耦合系数大、低损耗、高温稳定性和高频性能好等优异性能，是一种十分重要的多功能晶体材料，可用来制作各种不同功能器件，如激光技术中的调Q开关，红外技术中的热释电探测器，电子工业中的滤波器和谐振器。由于钽酸锂晶体为缺陷较少的自然单畴单晶，具有很多的优越性和广泛的用途，从而成为国际上晶体生长研究和开发的重点。但是单晶LiTaO₃的成本高和制备困难限制了单晶LiTaO₃的广泛应用。相比之下，LiTaO₃多晶陶瓷不受形状和大小的限制，可以满足多种要求，但是陶瓷制品的微观结构直接影响其性能，因此必须合成单相均匀的LiTaO₃。目前，合成LiTaO₃多采用固相法和溶胶凝胶法。固相法是基于Li₂CO₃和Ta₂O₅细小颗粒之间的固相反应，但主要存在以下缺点：合成温度比较高，一般要在1000℃以上，容易导致锂离子的挥发及杂相的生成，无法得到理想化学计量比的粉体，而且粉体的粒径较大，缺陷比较严重。醇盐水解法虽然可以精确控制化学计量比，且在较低的温度下可合成LiTaO₃，但是其以金属醇盐为原料，醇盐极容易水解，而且制备困难、价格昂贵，在实验过程中，对设备要求比较高。1998年，JuditSzanics等人采用聚合络合的方法，以TaCl₅为原料制备出了LiTaO₃粉体，然而TaCl₅价格比较高，而且制备过程中以甲醇为溶剂，容易对环境造成危害。2006年，H.Muthurajan等以Ta₂O₅为原料，制备Ta(OH)₅·H₂O，与LiOH研磨混合，煅烧得到LiTaO₃粉体，团聚现象比较严重。目前郑斐斐等采用水热和湿化学结合的方法，以Ta(OH)₅为原料，在720℃煅烧2h得到LiTaO₃粉体，粒径约为100nm，团聚现象也比较明显。而且这种方法的原料成本比较高，以高压釜为反应容器，需要较高的温度和压力。

发明内容

针对目前制备钽酸锂功能陶瓷粉体存在的上述问题，本发明利用溶胶-凝胶法制备钽酸锂纳米粉体，以Ta₂O₅为原料，通过制备Ta(OH)₅沉淀，得到Ta-柠檬酸溶液，以此作为钽源，成功制备了纳米LiTaO₃粉体，粒径约为30nm，分散性良好。而且可以通过改变煅烧温度和保温时间，实现控制LiTaO₃粉体粒径大小的目的。本发明以Ta-柠檬酸溶液为钽源，代替钽醇盐，解决了传统溶胶-凝胶工艺中金属醇盐制备困难、价格昂贵和极易水解的问题，及实验过程中对实验设备要求比较高的问题。本方法还克服了固相法中煅烧温度高、粉体烧结活性差的问题及聚合络合法中甲醇的采用会对环境造成危害的问题。

本发明所述的钽酸锂纳米粉体的溶胶-凝胶法，按照下述步骤进行：

1)制备Ta-柠檬酸溶液，将Ta₂O₅溶解于氢氟酸中，形成氟化钽溶液，调节pH值至7～13，形成白色Ta(OH)₅沉淀。洗涤后，将生成的Ta(OH)₅沉淀加入到柠檬酸溶液中，使金属离子与柠檬酸的摩尔比为1∶(1～10)，形成深黄色透明的Ta-柠檬酸溶液；

2)制备Li-柠檬酸溶液，即按照摩尔比Ta∶Li＝1∶1及Li∶CA＝1∶(1～10)的比例，将Li₂CO₃溶于柠檬酸溶液中，反应完全后，得到无色透明的Li-柠檬酸溶液；

3)将Ta-柠檬酸溶液与Li-柠檬酸溶液混合，并调节溶液的pH值到2～10；

4)向上述溶液中加入乙二醇，按照乙二醇与柠檬酸的摩尔比为(1～10)∶1的比例，搅拌均匀后，得到钽酸锂前驱体溶胶；

5)将该前驱体溶胶在30～100℃下加热，得到粘稠状的钽酸锂凝胶；