[发明专利]一种碱金属铌酸盐微纳米线材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电纳米材料领域，具体是一种碱金属铌酸盐微纳米线材料及其制备方法。

背景技术

压电材料因具有正、逆压电效应，因而在电能-机械能互转换领域具有广泛的应用，如压电传感器、超声发生器、马达、雷达、作动器、变压器、蜂鸣器、扬声器、声表面波器件和太赫兹波通信器件等等，对人们日常生活和国防建设起到了举足轻重的作用。但是，目前应用中的绝大部分压电材料都是含铅的。在生产、使用和废弃等过程中，铅基压电材料均不可避免地会对人类赖以生存的社会环境产生危害。为了降低甚至避免这种危害，无铅压电材料的需求应运而生。

纳米技术作为21世纪一个重要新兴科技领域，在理论与实践上正经历着高速发展，大量新型纳米材料与器件不断被开发出来, 并在生物医学、国防以及日常生活的各个领域展现前所未有的应用前景。纳米发电机曾经也只是一个设想，希望直接给其它微型电子器件供电。例如，在生物传感器、生物医药监控和生物活体探测方面，为了保持纳米系统微小且体内可植入等特性，小型供电系统必不可少。自从王中林成功制备出排列整齐的ZnO纳米线阵列并发明了纳米压电发电机后，这个设想正在逐渐成为现实，而使纳米发电机运转的核心部件则是压电材料，对此，《Science》、《Advanced materials》等杂志有专门的报道。事实上，压电材料的微型化，不仅在于可以制作纳米压电发电机，还可以用在基于压电效应的太赫兹波辐射通信、纳米马达等，这正是基于压电材料的逆压电效应（也称电致伸缩效应）而应用的，压电纳米超声雷达等传感器则需同时利用上述正、逆压电效应。从压电式纳米换能器的效率方面来讲，除了在一定程度上受系统集成组装的质量影响外，最主要的影响因素应该是其核心部件—压电材料的性能，高压电性能的材料显然会被优先关注和利用。当然，由于铅基压电陶瓷含铅且含铅量高于60%（质量比）不利于人类环境保护而即将被淘汰，特别是作为植入人体的医疗器械，更不应该采用。虽然ZnO也具有弱压电效应且纳米线及其阵列的制备可以说比较成熟，研究报道很多，但由于其压电换能效率较低，此外还由于氧化锌本身在制备过程中倾向于形成n型半导体特性，其导电性几乎接近金属的导电性，因此理论上在利用压电效应时，大的介电损耗是个无法回避的难题。因此，ZnO压电材料并不是十分理想的选择。作为替代，无铅压电材料的研究及尽早开发自然十分迫切。比较目前研究比较热的几类无铅压电材料，铌酸钾钠体系由于具有很好综合性能优势，如高的压电系数、高的机电耦合系数、高的居里温度和组成元素对人类友好，而成为首选材料之一。

目前，无铅压电材料研究报道最多的是块体陶瓷材料，但是在微纳技术领域则恰恰需要相应的具有微纳米尺寸的材料，例如在微型马达、生物医药传感器、监控、生物活体探测和太赫兹波通信等方面。从上述研究报道来看，目前针对铌酸钾钠纳米线的制备方法主要有模板生长法、水热法、溶胶-凝胶法、熔盐法和静电纺丝法等。虽然每种方法各有优点，但也各自存在一些问题。

模板生长法可以采用AAO、碳纳米管、分子筛和硅纳米线等模板进行辅助生长，具有纳米线排列可控、对材料结构限制少等优点，但是存在所制备的纳米线通常是多晶，不易获得单晶，且产物中因模板的存在易引入杂质的技术问题。

水热法和溶胶-凝胶法等液相法具有低温、低成本优势，及产量高和均匀性好等优点，但是存在产物长径比较低、尺寸较大，工艺复杂且产物纯度不高的技术问题。此外，水热法还存在只能用于制备对水或溶剂不敏感的化合物的技术问题。

此外，如果不结合使用模板生长法而单纯采用液相法，生长出来的铌酸钾钠纳米线则杂乱无章排列。

迄今为止，有关碱金属铌酸盐，特别是(1-x)K_0.5Na_0.5NbO₃-xBaBiO₃体系微纳米线的固相制备技术还没有相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种碱金属铌酸盐微纳米线材料及其制备方法。针对现有技术存在的技术问题，本发明采用传统的固相烧结法，在不需要额外提供气相、异质模板和催化剂的的条件下，实现碱金属铌酸盐微纳米线的可控生长，使合成的碱金属铌酸盐微纳米线直接从同质基体中生长，不引入外界杂质，实现产物的纯洁。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：