RU2104946C1 - Method for production of barium tetratitanate bati4o9 - Google Patents

Method for production of barium tetratitanate bati4o9 Download PDF

Info

Publication number
RU2104946C1
RU2104946C1 SU4924803A RU2104946C1 RU 2104946 C1 RU2104946 C1 RU 2104946C1 SU 4924803 A SU4924803 A SU 4924803A RU 2104946 C1 RU2104946 C1 RU 2104946C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tio
barium
oxygen
titanium dioxide
crystals
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Павлович Шапорев
Ирина Владимировна Хитрова
Григорий Анатольевич Ткач
Александр Иванович Акимов
Владимир Александрович Слободчук
Original Assignee
Харьковский политехнический институт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Харьковский политехнический институт filed Critical Харьковский политехнический институт
Priority to SU4924803 priority Critical patent/RU2104946C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2104946C1 publication Critical patent/RU2104946C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: manufacturing of high grade super high frequency ceramics. SUBSTANCE: preliminary thread-like crystals of titanium dioxide are treated by sulfuric acid, its quantity being 0.25-0.5 dm3H2SO4 per 1 kg of titanium dioxide. Then mixing with oxygen-containing barium compound having melting point lower than 650 C is carried out. Thus prepared mixture is affected by heating within 3-6 h at 1050-1160 C. Ratio of said barium compound and titanium dioxide is 0.5-0.8 as calculated for BaO. Thus high grade single phase thread-like crystals of barium tetratitanate are obtained. EFFECT: improved efficiency of the method, improved quality of desired product. 2 tbl

Description

Изобретение относится к способам получения полупроводниковых, пьезо- и сегнетоэлектрических материалов с требуемыми свойствами, в частности тетратитаната бария, который является перспективным материалом для получения высокодобротной СВЧ-керамики, которая используется для элементов в микроволновых интегральных схемах и для подложек, на которых выполняются элементы схемы. The invention relates to methods for producing semiconductor, piezoelectric and ferroelectric materials with the required properties, in particular barium tetratitanate, which is a promising material for producing high-quality microwave ceramics, which is used for elements in microwave integrated circuits and for substrates on which circuit elements are performed.

Известен способ получения тетратитаната бария, включающий приготовление смеси из диоксида титана и кислородсодержащего соединения бария, например, оксида бария, ее нагрев, выдержку, охлаждение и выделение кристаллов. Однако этим способом невозможно получить BaTi4O9 в виде нитевидных кристаллов высокой чистоты, который применяется в СВЧ-керамике.A known method of producing barium tetratitanate, including the preparation of a mixture of titanium dioxide and an oxygen-containing barium compound, for example, barium oxide, its heating, aging, cooling and separation of crystals. However, in this way it is impossible to obtain BaTi 4 O 9 in the form of high purity whiskers, which is used in microwave ceramics.

Целью изобретения является получение однофазных нитевидных кристаллов (для СВЧ керамики тетратитаната бария BaTi4O9 с высокой добротностью).The aim of the invention is to obtain single-phase whiskers (for microwave ceramics barium tetratitanate BaTi 4 O 9 with high quality factor).

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного способа, включающего приготовление смеси из диоксида титана TiO2 и кислородсодержащего соединения бария, ее нагрев, выдержку, последующее охлаждение и выделение кристаллов, в предлагаемом способе исходный TiO2 берут в виде нитевидных кристаллов и предварительно обрабатывают серной кислотой в количестве 0,25-0,5 дм3 на 1 кг TiO2, в качестве кислородсодержащего соединения бария используют его с температурой плавления не выше 650oC, которое берут в количестве по отношению к TiO2, равном 0,5 - 0,8 в пересчете на BaO, а нагрев ведут при 1050-1150oC в течение 3 - 6 ч.This goal is achieved in that, in contrast to the known method, including the preparation of a mixture of titanium dioxide TiO 2 and an oxygen-containing barium compound, its heating, aging, subsequent cooling and isolation of crystals, in the proposed method, the initial TiO 2 is taken in the form of whiskers and pre-treated sulfuric acid in an amount of 0.25-0.5 dm 3 per 1 kg of TiO 2 , it is used as an oxygen-containing barium compound with a melting point of not higher than 650 o C, which is taken in an amount with respect to TiO 2 equal to 0 , 5 - 0.8 in terms of BaO, and heating is carried out at 1050-1150 o C for 3 to 6 hours

Чистоту используемых нитевидных кристаллов TiO2 можно повысить путем перевода примесей в растворимое состояние. Для этого предпочтительна обработка серной кислотой с плотностью 1,18-1,25 г/дм3 при соотношении: на 1 кг TiO2 - 0,25-0,5 дм 3 H2SO4. При этом при меньших соотношениях растворение примесей протекает значительно хуже и при одних и тех же расходах промывной воды в фильтрате содержится на порядок меньше ионов SO 2- 4 . При больших соотношениях начинается растворение TiO2, т.е. потеря продуктивной фазы. Другие кислоты или неэффективно растворяют примеси и вступают в реакцию с TiO2 (HCL, HNO3) или просто образуют нерастворимые соединения с ионами примесей. При длительности менее 15 мин в фильтрате после промывки содержится ионов SO 2- 4 меньше установленной нормы, при длительности более 35 мин начинает растворяться фаза TiO2.The purity of TiO 2 whiskers used can be improved by transferring impurities to a soluble state. For this, treatment with sulfuric acid with a density of 1.18-1.25 g / dm 3 is preferred with a ratio of: 1 kg of TiO 2 0.25-0.5 dm 3 H 2 SO 4 . Moreover, at lower ratios, the dissolution of impurities proceeds much worse, and at the same wash water flow rates, the filtrate contains an order of magnitude less SO ions 2- 4 . At large ratios, the dissolution of TiO 2 begins, i.e. loss of productive phase. Other acids either inefficiently dissolve impurities and react with TiO 2 (HCL, HNO 3 ) or simply form insoluble compounds with impurity ions. With a duration of less than 15 minutes, the SOI contains after washing the ions of SO 2- 4 less than the established norm, with a duration of more than 35 min, the TiO 2 phase begins to dissolve.

Другой, наиболее важный эффект, который достигается после кислотной обработки - травление поверхности кристаллов и появление каналов между октаэдрами в структуре TiO2, по которым идет диффузия ионов Ba2-. Именно этот эффект, при прочих равных условиях, обеспечивает протекание реакции с образованием фазы BaTi4O9. Так, при проведении реакции между нитевидными кристаллами TiO2, которые не подвергались кислотной обработке, и, например, Ba(NO3)2 достигается выход фазы BaTi4O9 не более 60% мас., остальные 40% представляют собой фазы BaO, TiO2, BaTiO3. Таким образом, кислотная обработка нитевидных кристаллов TiO2 играет существенную роль для достижения поставленной цели.Another, most important effect that is achieved after acid treatment is the etching of the surface of the crystals and the appearance of channels between the octahedra in the TiO 2 structure, along which the diffusion of Ba 2– ions occurs. It is this effect, ceteris paribus, that the reaction proceeds with the formation of the BaTi 4 O 9 phase. So, when carrying out the reaction between TiO 2 whiskers that were not subjected to acid treatment, and, for example, Ba (NO 3 ) 2 , the output of the BaTi 4 O 9 phase is not more than 60 wt%, the remaining 40% are BaO, TiO phases 2 , BaTiO 3 . Thus, the acid treatment of TiO 2 whiskers plays an essential role in achieving this goal.

Установлено, что реакция протекает между компонентами наиболее полно в нужном направлении, если до температуры начала взаимодействия кислородсодержащее соединение бария пропитывает структуру TiO2 и после пропитки начинает осуществляться интенсивная диффузия ионов Ba2- в структуру TiO2. Этот процесс осуществим при наличии достаточной пористости, что достигается в результате кислотной обработки и при условии превращения кислородсодержащего соединения бария в жидкую фазу до температуры разложения. Кроме того, как следует из теоретических предпосылок, процесс диффузии начинает интенсивно протекать при температурах 600 - 800 oC. Поэтому для достижения цели необходимо, чтобы кислородсодержащее соединение бария плавилось при температуре ниже 650 oC. При использовании кислородсодержащего соединения бария с температурой плавления выше 650oC не удается получить чистый тетратитанат бария. Получаемый продукт в этом случае имеет фазовый состав: BaCO3, BaTi4O9, BaTiO3, BaO, TiO2.It was established that the reaction proceeds between the components most fully in the desired direction, if, before the temperature of the onset of interaction, the oxygen-containing barium compound impregnates the TiO 2 structure and after impregnation, intense diffusion of Ba 2– ions into the TiO 2 structure begins. This process is feasible in the presence of sufficient porosity, which is achieved as a result of acid treatment and subject to the transformation of the oxygen-containing barium compound into the liquid phase to the decomposition temperature. In addition, as follows from theoretical assumptions, the diffusion process begins to occur intensively at temperatures of 600 - 800 o C. Therefore, to achieve the goal, it is necessary that the oxygen-containing barium compound melts at a temperature below 650 o C. When using an oxygen-containing barium compound with a melting point above 650 o C it is not possible to obtain pure barium tetratitanate. The resulting product in this case has a phase composition: BaCO 3 , BaTi 4 O 9 , BaTiO 3 , BaO, TiO 2 .

Другим важным фактором процесса является обязательный избыток кислородсодержащего соединения бария по отношению к стехиометрически необходимому. Соотношение кислородсодержащее соединение бария (в пересчете на BaO) : диоксид титана должно составлять 0,5 - 0,8. Ниже 0,5 - соотношение близко к стехиометрическому, более 0,8 - экономически нецелесообразно, т.к. имеет место повышенный расход бариевых соединений и большой расход воды на отмывку продукта. Another important factor in the process is the mandatory excess of oxygen-containing barium compounds in relation to the stoichiometrically necessary. The ratio of oxygen-containing barium compound (in terms of BaO): titanium dioxide should be 0.5 - 0.8. Below 0.5 - the ratio is close to stoichiometric, more than 0.8 - is not economically feasible, because there is an increased consumption of barium compounds and a large consumption of water for washing the product.

Таким образом, данный способ позволяет получать тетратитанат бария BaTi4O9 в виде однофазных нитевидных кристаллов высокой чистоты.Thus, this method allows to obtain barium tetratitanate BaTi 4 O 9 in the form of single-phase whiskers of high purity.

В табл.1 приведена характеристика исходных реагентов с подробным описанием режимов синтеза. Table 1 shows the characteristics of the starting reagents with a detailed description of the synthesis modes.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Нитевидные кристаллы диоксида титана любой структурной модификации, приготовленные любым методом, подвергают при необходимости измельчению и гидроклассификации, после чего обрабатывают серной кислотой с плотностью 1,18-1,25 г/дм3 при соотношении: 1 кг TiO2 - 0,25-0,5 дм3 H2SO4 в течение 15-35 мин. Затем НК TiO2 фильтруют, промывают дистиллированной водой с получением фильтрата, содержащего следы H2SO4 в количестве <0,0003 кг/дм3. Полученный продукт смешивают с кислородсодержащим соединением бария, имеющим температуру плавления ниже 650oC, в соотношении кислородсодержащее соединение бария (в пересчете на BaO) : диоксид титана = 0,5-0,8, а затем полученную смесь нагревают в течение 3-6 ч при температуре 1050-1150oC. Продукт отжига репульпируют дистиллированной водой, фильтруют, промывают дистиллированной водой с получением фильтрата с содержанием ионов бария < 0,0003%. Твердый осадок НК BaTi4O9 сушат при температуре 200-300oC. Фазовый состав продукта определяют с помощью рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН-2 в Cu-Kα излучении при напряжении в трубке 35 кВ и силе тока 30 мА. Монохроматором является графит, что обеспечивает хорошее разрешение линий на дифрактограммах. Размеры кристаллов и их морфологию изучают на электронном микроскопе УЭМ-100. На прочность (на растяжение) кристаллы исследуют на установке ИКАН-2. Диэлектрическую проницаемость определяют стандартным методом.The proposed method is as follows. The titanium dioxide whiskers of any structural modification, prepared by any method, are subjected to grinding and hydroclassification, if necessary, and then treated with sulfuric acid with a density of 1.18-1.25 g / dm 3 at a ratio of: 1 kg TiO 2 - 0.25-0 5 dm 3 H 2 SO 4 for 15-35 minutes Then, the TiO 2 nanocrystals are filtered, washed with distilled water to obtain a filtrate containing traces of H 2 SO 4 in an amount of <0,0003 kg / dm 3 . The resulting product is mixed with an oxygen-containing barium compound having a melting point below 650 o C, in the ratio of an oxygen-containing barium compound (in terms of BaO): titanium dioxide = 0.5-0.8, and then the resulting mixture is heated for 3-6 hours at a temperature of 1050-1150 o C. Annealing product is repulpated with distilled water, filtered, washed with distilled water to obtain a filtrate with a barium ion content <0,0003%. The solid precipitate of BaTi 4 O 9 nanocrystals is dried at a temperature of 200-300 o C. The phase composition of the product is determined using x-ray phase analysis on a DRON-2 diffractometer in Cu-K α radiation at a tube voltage of 35 kV and a current of 30 mA. Graphite is a monochromator, which provides good resolution of lines in diffractograms. The size of the crystals and their morphology are studied using a UEM-100 electron microscope. The crystals are tested for strength (tensile strength) using an IKAN-2 apparatus. The dielectric constant is determined by the standard method.

Пример 1. 1000 г диоксида титана в виде нитевидных кристаллов, приготовленных по технологии 1 (табл. 1), со средними размерами: l = 1 мкм, d = 1,5 мкм, l/d = 66 подают в реактор из кварцевого стекла объемом 5 л, снабженный мешалкой. Одновременно в реактор подают раствор серной кислоты плотностью 1,18 г/дм3 в количестве 4л, что составляет соотношение TiO2 : H2SO4 = 1 : 0,5. Обработку кислотой осуществляют в течение 35 мин при постоянном перемешивании. Полученную суспензию фильтруют на барабанном вакуум-фильтре с рабочей поверхностью 0,5 м2, снабженном фильтровальной тканью канар, и в количестве 0,00025 кг/дм3. После промывки влажность твердого осадка составляет 10-12%. Соответственно количество твердой массы с учетом влажности составляет 1114,4 г. Полученный продукт подают в лопастной смеситель из нержавеющей стали, имеющий паровую рубашку и обогреваемый водяным паром с давлением 0,25 МПа (2,5). В рабочей зоне смесителя поддерживают температуру 95-98oC. Одновременно с подачей продукта в лопастной смеситель подают второй реагент Ba(NO3)2, имеющий температуру плавления 595 oC в количестве 1365 г, что составляет соотношение BaO:TiO2=1 :0,5. Компоненты перемешивают в течение 1 ч. Полученная смесь представляет собой гранулы (окатыши) размером 3-8 мм. После этого полученную смесь отжигают в течение 6 ч при температуре 1150oC во вращающейся электропечи (число оборотов печи - 0,5 об/мин, диаметр - 0,4 м, длина - 2 м, муфель выполнен из корунда). Продукт отжига обрабатывают дистиллированной водой в кварцевом реакторе емкостью 25 л при постоянном интенсивном перемешивании. Расход воды с температурой 96oC на массу полученного продукта составляет 45 л, обработку твердой массы осуществляют за три цикла, в каждом цикле объем воды составляет 15 л. В конечном фильтрате содержание ионов бария составляет 0,0001%. После последней фильтрации получают твердый осадок в количестве 1184 г, в том числе 12% H2O, т.е. целевой продукт в пересчете на сухое составил 1042 г. Затем твердый осадок подают в лопастную сушилку, где сушат до постоянного веса при температуре 200oC. В результате получают твердый продукт в количестве 1042,2 г.Example 1. 1000 g of titanium dioxide in the form of whiskers prepared according to technology 1 (table. 1), with average sizes: l = 1 μm, d = 1.5 μm, l / d = 66 served in a quartz glass reactor with a volume of 5 l equipped with a stirrer. At the same time, a sulfuric acid solution with a density of 1.18 g / dm 3 in an amount of 4 l is supplied to the reactor, which is the ratio of TiO 2 : H 2 SO 4 = 1: 0.5. The acid treatment is carried out for 35 minutes with constant stirring. The resulting suspension is filtered on a drum vacuum filter with a working surface of 0.5 m 2 equipped with a filter cloth Canar, and in an amount of 0,00025 kg / DM 3 . After washing, the moisture content of the solid precipitate is 10-12%. Accordingly, the amount of solid mass, taking into account humidity, is 1114.4 g. The resulting product is fed into a stainless steel paddle mixer having a steam jacket and heated with steam with a pressure of 0.25 MPa (2.5). In the working area of the mixer maintain a temperature of 95-98 o C. At the same time as the product is fed into the paddle mixer, a second reagent Ba (NO 3 ) 2 with a melting point of 595 o C in the amount of 1365 g, which is the ratio of BaO: TiO 2 = 1: 0.5. The components are stirred for 1 hour. The resulting mixture is a granule (pellet) of 3-8 mm in size. After that, the resulting mixture is annealed for 6 hours at a temperature of 1150 o C in a rotating electric furnace (the speed of the furnace is 0.5 rpm, the diameter is 0.4 m, the length is 2 m, the muffle is made of corundum). The annealing product is treated with distilled water in a quartz reactor with a capacity of 25 l with constant vigorous stirring. Water consumption with a temperature of 96 o C per mass of the obtained product is 45 l, the processing of the solid mass is carried out in three cycles, in each cycle the volume of water is 15 l. In the final filtrate, the content of barium ions is 0.0001%. After the last filtration, a solid precipitate is obtained in an amount of 1184 g, including 12% H 2 O, i.e. the target product in terms of dry was 1042 g. Then, the solid precipitate is fed into a paddle dryer, where it is dried to constant weight at a temperature of 200 o C. The result is a solid product in an amount of 1042.2 g

Полученный продукт идентифицируют на дифрактометре ДРОН-2. В результате на дифрактограмме были получены пики, характерные для BaTi4O9. Микроскопический анализ показывает, что частицы представляют собой нитевидные кристаллы, близкие к праэдеритной структуре с аксиальным соотношением l/d ≈50. Распределение кристаллов по размерам подчиняется закону распределения случайной величины - закону Гаусса. Преобладающий размер кристаллов составляет l = (15 ± 1) мкм, d =(3 ± 0,2) мкм. Прочность кристаллов на разрыв - 150 кг/мм2.The resulting product is identified on a DRON-2 diffractometer. As a result, peaks characteristic of BaTi 4 O 9 were obtained on the diffractogram. Microscopic analysis shows that the particles are whiskers close to the praederite structure with an axial ratio l / d ≈50. The size distribution of crystals obeys the random distribution law - the Gauss law. The predominant crystal size is l = (15 ± 1) μm, d = (3 ± 0.2) μm. The tensile strength of the crystals is 150 kg / mm 2 .

В таб. 2 приведены примеры, освещающие эффективность способа в заявляемых параметрах и при выходе за их пределы. Во всех примерах оборудование и последовательность операций аналогичны. In tab. 2 are examples illustrating the effectiveness of the method in the claimed parameters and when going beyond them. In all examples, the equipment and sequence of operations are similar.

Claims (1)

Способ получения тетратитаната бария BaTi4O9, включающий приготовление смеси из TiO2 и кислородсодержащего соединения бария, ее нагрев, выдержку, последующее охлаждение и выделение кристаллов, отличающийся тем, что, с целью получения однофазных нитевидных кристаллов для СВЧ-керамики, исходный TiO2 берут в виде нитевидных кристаллов и предварительно обрабатывают серной кислотой в количестве 0,25 0,5 дм3/кг TiO2, в качестве кислородсодержащего соединения бария используют его соединение с температурой плавления не выше 650oС, которое берут в количестве по отношению к TiO2, равном 0,5 0,8 в пересчете на ВаО, а нагрев ведут при 1050 -1150oС в течение 3 6 ч.A method of producing barium tetratitanate BaTi 4 O 9 , comprising preparing a mixture of TiO 2 and an oxygen-containing barium compound, heating it, aging, subsequent cooling and isolation of crystals, characterized in that, in order to obtain single-phase whiskers for microwave ceramics, the initial TiO 2 taken in the form of whiskers and pre-treated with sulfuric acid in an amount of 0.25 0.5 dm 3 / kg of TiO 2 as an oxygen compound of barium is used a compound thereof having a melting point not higher than 650 o C, which taken in coli ETS respect to TiO 2 of 0.5 to 0.8 in terms of BaO, and heating was carried out at 1050 -1150 o C within 3 6 hours.
SU4924803 1991-04-03 1991-04-03 Method for production of barium tetratitanate bati4o9 RU2104946C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4924803 RU2104946C1 (en) 1991-04-03 1991-04-03 Method for production of barium tetratitanate bati4o9

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4924803 RU2104946C1 (en) 1991-04-03 1991-04-03 Method for production of barium tetratitanate bati4o9

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2104946C1 true RU2104946C1 (en) 1998-02-20

Family

ID=21568233

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4924803 RU2104946C1 (en) 1991-04-03 1991-04-03 Method for production of barium tetratitanate bati4o9

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2104946C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Лучинский Г.П. Химия титана - М.: Химия, 1971, с.238. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0255193B1 (en) Method of producing alkaline-earth metal titanates in powder form
US4606906A (en) Process of synthesizing mixed BaO-TiO2 based powders for ceramic applications
KR960008621B1 (en) Process for the preparation barium titanate in powder form
JPS60155532A (en) Production of barium strontium titanate fine particle
CA2445853A1 (en) Method of producing calcium sulfate alphahemihydrate
WO2024183195A1 (en) Preparation process for nanoscale tetragonal-phase barium titanate powder
RU2104946C1 (en) Method for production of barium tetratitanate bati4o9
JP2764111B2 (en) Method for producing perovskite ceramic powder
US5013538A (en) Preparation of alkaline earth metal titanates
JP2747916B2 (en) Potassium titanate long fiber and method for producing titania fiber using the same
JP2528462B2 (en) Method for producing sodium hexatitanate fine particle powder
JP2627955B2 (en) Method for producing fibrous alkaline earth metal titanate
JPH0341409B2 (en)
RU2104936C1 (en) Method for production of magnesium sulfate
US2344288A (en) Method for solubilizing titaniferous ores
RU2116254C1 (en) Method of preparing zirconium dioxide
RU2060946C1 (en) Method for production of barium titanate
KR102508854B1 (en) Manufacturing method of zeolite using lithium residue
RU2188160C1 (en) Method of preparing lithium methatantalate
RU2740746C1 (en) Method of cleaning fly ash graphite (versions)
SU1325018A1 (en) Method of producing barium fluoride
SU1696386A1 (en) Method of silicon nitride preparation
JPS60104522A (en) Preparation of fiber of potassium hexatitanate
RU2366609C1 (en) Method for preparation of crystalline potassium titanate
CN118223131A (en) Method for preparing calcium sulfate whisker from carbide slag by using distilled water under reduced pressure