RU2834503C1 - Способ получения нанопористой керамики титаната бария - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам получения нанопористой керамики титаната бария и может быть использовано в химической промышленности для фильтрующих материалов и носителей катализаторов, в электронике и для создания нанокомпозитов с целью исследования веществ в наноразмерном состоянии. Способ получения нанопористой керамики титаната бария включает операции смешивания наноразмерных частиц титаната бария и связующего компонента с последующим прессованием заготовок и спеканием. При этом используют частицы титаната бария со средним размером частиц 50 нм, а в качестве связующего компонента – водную 50%-ную суспензию полистироловых наносфер с размером 100 нм в пересчете на содержание полистирола в шихте 5 об.%. Прессование заготовок проводят при 500 кг/см², после чего высушивают в течение суток при комнатной температуре и спекают при температуре 1000°С в течение 2 часов. Керамика имеет пористость 20%, со средним размером пор 150 нм и одновременно обладает спонтанной поляризацией. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области технологии керамических материалов, точнее к способам получения нанопористой керамики на основе титаната бария BaTiO₃, предназначенной для использования в электронике, в химической промышленности для фильтрующих материалов и носителей катализаторов и для создания нанокомпозитов с целью исследования веществ в наноразмерном состоянии.

Известен способ получения нанопористой керамики на основе муллита (Патент RU 2737298 МПК C04B 35/185), включающий синтезирование однофазного муллита с использованием механохимического активирования γ-Al₂O₃ и аморфного SiO₂, отличающийся тем, что из соли Al(NO₃)₃⋅9H₂O приготавливают разбавленный раствор с концентрацией 0.1 М, из которого осуществляют осаждение гидроксида алюминия водным раствором NH₄OH (~1 М) при температуре 0-2°С, гелеобразный осадок Al(ОН)₃ подвергают вакуумной фильтрации с последующей термообработкой при 150°С до образования бемита (AlOOH), при этом для получения аморфного SiO₂ кремниевую кислоту подвергают термическому разложению в интервале температур 100-250°С, затем осуществляют смешение γ-Al₂O₃ и аморфного SiO₂ в соотношении Al₂O₃:SiO₂=3:2 в режиме сухого помола в планетарной мельнице в течение 15 минут при соотношении массы мелющих шаров из высокоплотной алюмооксидной керамики к общей массе порошка 10:1, затем в смесь 3Al₂O₃⋅2SiO₂ вводят порообразующий компонент, в качестве которого используют карбонат аммония в количестве 10 или 20 мас.% к общей массе порошка и перемешивают в течение 10 минут для гомогенного распределения (NH₄)₂CO₃ во всем объеме смеси, после чего полученные порошки компактируют при давлении 70 или 100 МПа, а затем обжигают при 1300°С в течение 2 часов. Недостатком данного способа являются низкая диэлектрическая проницаемость керамики и отсутствие спонтанной поляризации.

Известен способ получения микро- и нанопористой керамики на основе диоксида циркония (Патент RU № 2417967 МПК C04B 35/486), включающий приготовление суспензии ультрадисперсного порошка со связующим компонентом, заливку суспензии в форму, гелеобразование и обезвоживание гелевой субстанции, сушку и спекание материала, отличающийся тем, что обезвоживание гелевой субстанции проводят путем вакуумирования через микропористую подложку, выполненную из кордиеритовой керамики с распределением пор микро- и наноразмера. Недостатками керамики, полученной данным способом, являются низкая пористость и диэлектрическая проницаемость, отсутствие спонтанной поляризации.

Наиболее близким к предлагаемому способу по химической композиции и электрофизическим характеристикам является способ получения керамики на основе титаната бария (Патент RU № 2706275, МПК C04B35/468), включающий подготовку шихты путем смешивания исходных компонентов в виде двух порошков титаната бария BaTiO₃ различной дисперсности, взятых в определенном соотношении, при котором первый составляющий основу шихты компонент имеет микрометрический размер частиц, а второй (дополнительный) - нанометрический размер частиц, а также формование шихты и обжиг отформованных заготовок при температуре 1250-1350°С, осуществляемый в установленном режиме нагрева/охлаждения и изотермической выдержки, отличающийся тем, что в нем при подготовке шихты в качестве первого (основного) компонента берут порошок титаната бария BaTiO₃ со средним размером частиц 1,8 мкм, полученный методом твердофазного синтеза из эквимолярной смеси карбоната бария и диоксида титана, и в качестве второго (дополнительного) компонента - порошок титаната бария BaTiO₃ со средним размером частиц 80 нм, полученный методом синтеза эквимолярной смеси оксида бария и диоксида титана в среде сверхкритического водного флюида, при этом основной и дополнительный исходные компоненты берут в массовом соотношении (85,0-95,0):(15,0-5,0) соответственно и проводят их совместный помол в течение времени, достаточного для достижения оптимальной равномерности распределения в объеме основного компонента частиц дополнительного компонента, и при этом формование шихты ведут полусухим одноосным прессованием при давлении 40-100 МПа в присутствии временного, удаляемого до проведения обжига технологического связующего в виде парафина в количестве 3 масс.% на массу шихты. Недостатком данного способа является низкая пористость получаемой керамики, что не позволяет использовать ее в качестве пористых полярных матриц (прототип).

Задача изобретения направлена на получение нанопористой керамики титаната бария (НК BaTiO₃), в которой увеличение активной поверхности шихты из нанопорошка приводит к снижению температуры спекания, и в отличие от других нанопористых материалов данная керамика является полярной.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в снижении температуры спекания керамики титаната бария до 1000°C путем повышения химической активности шихты, сокращения времени получения керамики, что приводит к улучшению качественных характеристик продукта и сокращению экономических затрат.

Для получения нанопористой керамики титаната бария использовали нанопорошки BaTiO₃ компании Mann Grain Nano Technology Co., Ltd. (КНР) со средним размером частиц 50 нм и чистотой 99,9. В качестве связующего использовали водную 50% суспензию из полистироловых наносфер с размером 100 нм в пересчете на содержание полистирола в шихте 5 об.%. Прессование заготовок производили при давлении 500 кг/см². После прессования образцы высушивали в течение суток при комнатной температуре. При уменьшении размера частиц BaTiO₃ до наноразмеров за счет увеличения активной поверхности повышается химическая активность и температура, достаточная для спекания керамики, понижается, в связи с чем температура спекания для получения НК BaTiO₃ составила 1000°С [1. H. Guo, A. Baker, J. Guo, and C. A. Randall. Protocol for Ultralow-Temperature Ceramic Sintering: An Integration of Nanotechnology and the Cold Sintering Process //ACS Nano 2016, 10, P. 10606−10614. DOI 10.1021/acsnano.6b03800. 2. С. В. Барышников, А. Ю. Милинский, Е. В. Стукова. Линейные и нелинейные диэлектрические свойства керамики, полученной из нанопорошка титаната бария // Стекло и керамика. – 2024. – Т. 97, № 4(1156). – С. 21-28. – DOI 10.14489/glc.2024.04.pp.021-028]. Пористость НК BaTiO₃ при скорости нагрева 350°С/ч и спеканием в течение 2 часов составила 20% при среднем размере пор 150 нм. Температура фазового перехода равна Т _о = 123°С, максимальное значение диэлектрической проницаемости ε' составляет около 3000, константа Кюри-Вейса С = 0,9·10⁵°С, температура Кюри-Вейсса Т _с = 92°С.

На фиг.1 представлена электронная фотография скола пористой керамики. На фиг.2 представлены температурные зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Разработанный способ получения полярной нанопористой керамики титаната бария позволяет увеличить эффективность фильтрующих элементов в химической промышленности и создать полярные нанокомпозиты для электронных устройств.

Claims (1)

1. Способ получения нанопористой керамики титаната бария, включающий операции смешивания наноразмерных частиц титаната бария и связующего компонента с последующим прессованием заготовок и спеканием, отличающийся тем, что используют частицы титаната бария со средним размером частиц 50 нм, а в качестве связующего компонента – водную 50%-ную суспензию полистироловых наносфер с размером 100 нм в пересчете на содержание полистирола в шихте 5 об.%, прессование заготовок проводят при 500 кг/см², после чего высушивают в течение суток при комнатной температуре и спекают при температуре 1000°С в течение 2 часов.