[发明专利]一种一维柱状结构钙掺杂钛酸铅单晶纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一维柱状结构钙掺杂钛酸铅单晶纳米纤维的制备方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

钛酸铅是一种典型的钙钛矿型铁电氧化物，由于结构简单，压电性和铁电性强，自从50年代发现以来，钛酸铅一直是铁电和压电领域研究的原型材料，对于人们认识钙钛矿氧化物压电和铁电性的电子起源有着十分重要的意义。钙掺杂钛酸铅(PTC)是一类重要的改性钛酸铅材料，与纯钛酸铅相比，它的厚度耦合系数k_t与平面耦合系数k_p的比值显著增大，因而具有更大的压电各向异性。通过调整组分配比使介电常数发生变化，可以控制不同深度海域中与静压电电荷系数有关的电压灵敏度g_h (g_h=                                               )，使其在声纳应用上占有优势。此外它作为热释电材料也具有很大的应用潜力，是很有前途的铁电、压电和热释电材料。

浙江大学首次使用高分子辅助水热法制得一维柱状结构的钛酸铅单晶纳米纤维（Zhaohui Ren, Gang Xu, Yong Liu, Xiao Wei, Yihan Zhu, Xiaobin Zhang, Guanglie Lv, Youwen Wang, Yuewu Zeng, Piyi Du, Wenjian Weng, Ge Shen, J. Z. Jiang and Gaorong Han，PbTiO₃ Nanofibers with Edge-Shared TiO₆ Octahedra，2010，132(16), 5572-5573.）。这种结构的钛酸铅晶体，其钛氧八面体是通过共边连接形成一维柱状结构。而钙掺杂进入一维柱状结构钛酸铅，获得一维柱状结构钙钛酸铅的单晶纳米纤维，国内外均未见有关的制备方法和工艺报道。用该方法合成的一维柱状结构钙掺杂钛酸铅可能具有的优越的压电、铁电性其他特殊性能，使其在铁电材料领域展现出巨大的潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单，过程易于控制的一维柱状结构钙掺杂钛酸铅单晶纳米纤维的制备方法。

本发明的一维柱状结构钙掺杂钛酸铅单晶纳米纤维的制备方法，采用的是水热反应法，包括以下步骤：

1)按欲合成的一维柱状结构钙掺杂钛酸铅单晶纳米纤维的化学式Pb_1-x Ca_xTiO₃计量，0.001≤X ≤0.10，称取硝酸铅和硝酸钙共同溶于去离子水中；调节Pb²⁺离子浓度为0.4995-0.400 0mol/L； Ca²⁺离子浓度为0.0005-0.1000mol/L;

2)将钛酸丁酯溶于乙二醇甲醚，调节溶液中的Ti⁴⁺离子浓度为0.25-1mol/L，搅拌状态下，滴入质量浓度30%的氨水溶液，使钛酸丁酯水解沉淀，过滤，洗涤，获得钛的羟基氧化物沉淀；

3)将氢氧化钾和聚乙烯醇分别溶于去离子水，配置浓度为0.5-5mol/L的氢氧化钾水溶液和浓度为2g/L的聚乙烯醇水溶液；

4)将以上制得的硝酸铅和硝酸钙水溶液、钛的羟基氧化物沉淀、氢氧化钾水溶液和聚乙烯醇水溶液加入到聚四氟乙烯的反应釜内胆中，用去离子水调节其体积为反应釜容积的2/3~4/5，搅拌不少于5分钟，得到悬浮液；

5)将步骤4) 配置有反应物料的反应釜内胆置于反应釜中，密闭，置于180-200^oC的炉中保温，反应8-12小时后，置于空气中自然降温至室温，取出反应产物，过滤，用去离子水清洗，烘干，得到一维柱状结构钙掺杂钛酸铅单晶纳米纤维。

本发明所采用的硝酸铅、硝酸钙、钛酸丁酯、氢氧化钾和聚乙烯醇纯度均不低于化学纯。

本发明采用水热反应，以乙二醇甲醚作为溶解钛离子的溶剂，利用氨水作为沉淀剂沉淀钛离子；利用表面修饰剂聚乙烯醇实现生长方向的调控；最后利用矿化剂氢氧化钾来促进晶化，实现一维柱状结构钙掺杂钛酸铅单晶纳米纤维的合成。本发明工艺过程简单，易于控制，无污染，成本低，易于大规模生产；制得的一维柱状结构钙掺杂钛酸铅单晶纳米纤维，纯度高，分散性好。

附图说明