CN113698197A - 一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法 - Google Patents

一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,包括以下步骤:将铋源和钛源混合后,研磨成粉末状配料,再将其压制成生坯,进行热处理后,得到样品,将样品置于悬浮容器中,并在悬浮容器底部持续通入Ar气,使样品悬浮于Ar气中,然后用CO2激光器将样品加热至熔化,待熔化的样品在Ar气中悬浮稳定后,停止加热,冷却后,即制得焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷,本发明方法过程简单,无任何副产物,重复性好,制备的焦绿石结构Bi2Ti2O7块体材料纯度高,且制备原料配比的比例范围宽,不限于单一的配比。

Description

一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及功能陶瓷材料制备技术领域,具体涉及一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法。
背景技术
钛酸铋系的功能相包括Bi4Ti3O12、Bi2Ti2O7、Bi2Ti4O11、Bi12TiO20等物相,钛酸铋系的化合物拥有较为丰富的光学、电学功能性,如:Bi2Ti4O11相的光催化性能,被用作催化降解材料;Bi12TiO12优异的光电和电光性质,被用于光信息处理材料中;Bi4Ti3O12的铁电和高介电性,被用于微电子器件中。焦绿石结构的Bi2Ti2O7具有较高的介电常数,因此是一种优异的信息储存材料,其高的介电常数可以较大程度的缩小存储材料的体积,大大减少存储设备的体积。因此,高效制备高纯度的Bi2Ti2O7单相成为其得到广泛应用的关键因素。
目前合成Bi2Ti2O7物相的方法主要包括化学溶液法、水热法等。化学溶液法工艺合成过程复杂而且存在较多污染的副产物,合成粉体的均匀程度不够高甚至容易出现明显的杂相;水热法的合成周期较长,产量极低,增大了整个粉末合成的周期。因此,寻求一种制备过程简单、无任何副产物,且容易获得高纯度的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的制备方法是非常必要的。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,以解决现有制备方法容易产生副产物以及合成过程复杂的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:提供一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,包括以下步骤:
(1)将铋源和钛源混合后,研磨均匀,得到粉末状配料,再将其压制成生坯;
(2)将步骤(1)所得的生坯进行热处理,得到样品;
(3)在步骤(2)所得样品置于悬浮容器中,并在悬浮容器底部持续通入Ar气,使样品悬浮于Ar气中,然后将样品加热至熔化,待熔化的样品在Ar气中悬浮稳定后,停止加热,最后冷却至室温,即制得单相焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷。
本发明的有益效果为:深过冷快速凝固是通过深过冷实现块体材料快速凝固的技术。本发明通过将铋源和钛源研磨、压制和热处理后得到样品,再将样品熔化后悬浮于氩气中,由于样品处于氩气中的悬浮状态,悬浮于氩气中的样品熔体小球不会接触容器壁并且保持在氩气中不发生震荡,这样提供给样品一个无容器接触的环境,可以为熔体提供极大的过冷度,进而保留高温下的亚稳态相,悬浮熔体处于无接触容器的状态,增大了样品抑制形核的过程,非平衡凝固的过程异于平衡相图的冷却过程,非平衡凝固过程使得样品平衡凝固相区得到改变,同时可以扩大单相形成区域,可以在较大的成分比例宽度区域制备得到单相、成分均匀的钛酸铋(Bi2Ti2O7)块材。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进:
进一步,步骤(1)铋源为三氧化二铋,钛源为二氧化钛,三氧化二铋与二氧化钛的摩尔比为x:y,其中,x为0.9、1或1.1,y为2。
采用上述进一步技术方案的有益效果为:考虑到Bi2O3可能存在高温挥发的原因,调整比例可以观察到更大成分比例区间的物相变化趋势。
进一步,步骤(1)研磨为球磨。
进一步,球磨为加入YSZ球磨球和异丙醇后进行球磨,然后将其干燥。
进一步,球磨时间为20-28h。
采用上述进一步技术方案的有益效果为:异丙醇提供了湿磨的环境,可以使得样品得到充分的研磨提高研磨效率,研磨后的样品更加均匀、细腻。
进一步,步骤(1)压制成生坯的过程为:当压制压力增加到2-3MPa后,保持2-6min。
进一步,步骤(2)热处理为:将生坯从室温开始,以3-5℃/min的升温速度升温至300-320℃后,保温150-200min;再以2-4℃/min的升温速度升温至1000-1100℃后,保温150-200min,最后冷却至室温。
采用上述进一步技术方案的有益效果为:加热到300-320℃能使得球磨残留的异丙醇完全挥发掉,而2-4℃/min的速率升温至1000-1100℃能够在高温阶段使得样品本身充分而均匀的烧结,同时保证生坯不开裂。
进一步,步骤(3)加热为用CO2激光器加热。
进一步,步骤(3)熔化温度为1300-1400℃。
进一步,步骤(3)悬浮容器底部连接有水冷装置。
采用上述进一步技术方案的有益效果为:水冷装置一方面可以在激光加热过程中为悬浮容器降温,避免悬浮容器熔化,另一方面可以在停止加热后为样品冷却过程提供更大的冷速,大的冷速会抑制熔体正常凝固过程的形核,进而保留高温亚稳相。本发明深过冷过程的获得主要是依赖于样品的无触壁悬浮状态和悬浮容器的快速水冷,样品在高能激光加热条件下熔化成球并悬浮于氩气中,样品完全熔化并悬浮稳定后关闭激光,此时的样品处于高温条件下,无触壁悬浮的状态抑制了熔体中形核位点的生成,样品会按照自身最大的冷速以及在外界环境温度作用下的冷速,以高的冷速进行冷却,高的冷却速度创造了更大的过冷度,为制得的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷创造了条件。
本发明还提供一种本发明发法制备得到的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明首次采用深过冷快速凝固的技术手段,通过快速凝固的深过冷过程制得的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷,方法简便,操作灵活可行,重复性好。
2、本发明制得的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷,块材整体均匀,较为致密。
3、本发明制备Bi2Ti2O7块体材料的原料配比的比例范围宽,不限于单一配比。
4、本发明制备过程无任何化学副产物的生成,减少了反应过程对环境的污染。
附图说明
图1为实施例1制备的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的SEM图;
图2为实施例2制备的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的SEM图;
图3为实施例3制备的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的SEM图;
图4为实施例1-3制备的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的XRD图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1:
一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,包括以下步骤:
(1)将纯度为99.9%的三氧化二铋、纯度为99.99%的二氧化钛、YSZ球磨球和异丙醇放置于球磨罐内进行球磨,然后干燥,得到粉末状配料。其中,三氧化二铋和二氧化钛摩尔比为0.9:2,球磨时间为20h;
(2)将步骤(1)所得粉末状配料放置于直径为20mm的圆柱形模具内,然后施加2MPa的压力,保持6min,即得压制成的生坯;
(3)将步骤(2)所得的生坯置于程序可控的热处理炉内进行热处理后,得到样品;其中,热处理的程序为:将生坯自室温开始,以3℃/min的升温速度升温至300℃后,保温200min;再以2℃/min的升温速度升温至1000℃后,保温200min,最后冷却至室温;
(4)将步骤(3)所得样品放置于金属喷嘴内,在金属喷嘴底部接入水冷装置,并在金属喷嘴底部持续通入Ar气,使样品悬浮于Ar气中且未接触金属喷嘴,然后用CO2激光器将样品加热至1300℃,使得样品熔化,待熔化的样品在Ar气中悬浮稳定后,停止加热,然后冷却至室温,即制得焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷。
实施例2:
一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,包括以下步骤:
(1)将纯度为99.9%的三氧化二铋、纯度为99.99%的二氧化钛、YSZ球磨球和异丙醇放置于球磨罐内进行球磨,然后干燥,得到粉末状配料。其中,三氧化二铋和二氧化钛摩尔比为1:2,球磨时间为25h;
(2)将步骤(1)所得粉末状配料放置于直径为20mm的圆柱形模具内,然后施加2.5MPa的压力,保持5min,即得压制成的生坯;
(3)将步骤(2)所得的生坯置于程序可控的热处理炉内进行热处理后,得到样品;其中,热处理的程序为:将生坯自室温开始,以4℃/min的升温速度升温至310℃后,保温180min;再以3℃/min的升温速度升温至1050℃后,保温180min,最后冷却至室温;
(4)将步骤(3)所得样品放置于金属喷嘴内,在金属喷嘴底部接入水冷装置,并在金属喷嘴底部持续通入Ar气,使样品悬浮于Ar气中且未接触金属喷嘴,然后用CO2激光器将样品加热至1350℃,使得样品熔化,待熔化的样品在Ar气中悬浮稳定后,停止加热,然后冷却至室温,即制得焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷。
实施例3:
一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,包括以下步骤:
(1)将纯度为99.9%的三氧化二铋、纯度为99.99%的二氧化钛、YSZ球磨球和异丙醇放置于球磨罐内进行球磨,然后干燥,得到粉末状配料。其中,三氧化二铋和二氧化钛摩尔比为1.1:2,球磨时间为28h;
(2)将步骤(1)所得粉末状配料放置于直径为20mm的圆柱形模具内,然后以一定的速度增加压力,当压制压力达到3MPa时,保持2min,即得压制成的生坯;
(3)将步骤(2)所得的生坯置于程序可控的热处理炉内进行热处理后,得到样品;其中,热处理的程序为:将生坯自室温开始,以5℃/min的升温速度升温至320℃后,保温150min;再以4℃/min的升温速度升温至1100℃后,保温150min,最后冷却至室温;
(4)将步骤(3)所得样品放置于金属喷嘴内,在金属喷嘴底部接入水冷装置,并在金属喷嘴底部持续通入Ar气,使样品悬浮于Ar气中且未接触金属喷嘴,然后用CO2激光器将样品加热至1400℃,使得样品熔化,待熔化的样品在Ar气中悬浮稳定后,停止加热,然后冷却至室温,即制得焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷。
结果检测:
1、将实施例1-3制得的材料进行扫描电镜分析,结果如图1-3所示,由图可知,由于样品为单相,没有第二相,所以SEM没有衬度差,本发明方法制备的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷致密度较高,基本单元为不规则多面体形状晶粒组织。
2、实施例1-3制得的材料进行X射线衍射分析,结果见图4,由图可知,该物相为单一的Bi2Ti2O7相。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将铋源和钛源混合后,研磨均匀,得到粉末状配料,再将其压制成生坯;
(2)将步骤(1)所得的生坯进行热处理,得到样品;
(3)在步骤(2)所得样品置于悬浮容器中,并在悬浮容器底部持续通入Ar气,使样品悬浮于Ar气中,然后将样品加热至熔化,待熔化的样品在Ar气中悬浮稳定后,停止加热,最后冷却至室温,即制得焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷。
2.根据权利要求1所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,步骤(1)所述铋源为三氧化二铋,钛源为二氧化钛,三氧化二铋与二氧化钛的摩尔比为x:y,其中,x为0.9、1或1.1,y为2。
3.根据权利要求1所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,步骤(1)所述研磨为球磨。
4.根据权利要求3所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,所述球磨为加入YSZ球磨球和异丙醇后进行球磨,然后将其干燥。
5.根据权利要求4所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,球磨时间为20-28h。
6.根据权利要求1所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,步骤(1)压制成生坯的过程为:当压制压力增加到2-3MPa后,保持2-6min。
7.根据权利要求1所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,步骤(2)所述的热处理为:将生坯从室温开始,以3-5℃/min的升温速度升温至300-320℃后,保温150-200min;再以2-4℃/min的升温速度升温至1000-1100℃后,保温150-200min,最后冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,步骤(3)所述的加热为用CO2激光器加热。
9.根据权利要求1所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法,其特征在于,步骤(3)所述的悬浮容器底部连接有水冷装置。
10.采用权利要求1-9任一项所述的深过冷快速凝固法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法制备得到的焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷。
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