水热法制备陶瓷粉体

Hefei University题目：水热法制备纳米陶瓷粉体技术专业：11级粉体材料科学与工程（1）班姓名：施学富学号：1103011002二O一三年六月摘要：文章较为系统地概述了水热法制备纳米陶瓷粉体的技术方法、特点和研究进展。

认为水热法是一种极有应用前景的纳米陶瓷粉体的制备方法关键词：水热法，纳米，陶瓷粉体1 引言现代陶瓷材料的性能在一定程度上，是由其显微结构决定的，而显微结构的优劣却取决于制备工艺过程。

陶瓷的制备工艺过程主要由粉体制备、成型和烧结等三个主要环节组成。

其中，粉体制备是基础，若基础的粉体质量不高，不但烧结条件难以控制，也绝不可能制得显微结构均匀、致密度高、内部无缺陷、外部平整的瓷坯。

显微结构，尤其是陶瓷材料在烧结过程中形成的显微结构，在很大程度上由原料粉体的特性决定。

因此粉体性能的优劣，直接影响到成型和烧结的质量。

粉体的尺寸大小决定了作用于粉体上的单位体积的表面积，进而又决定了粉体的最终行为。

粉体达到纳米级时，可以生产出优于普通材料的纳米特异功能。

目前，制备纳米粉体的方法可分为三大类：物理方法、化学方法和物理化学综合法。

化学方法主要包括水解法、水热法、溶融法和溶胶一凝胶法等。

其中，用水热法制备纳米粉体技术越来越引起人们的关注⋯。

本文拟对近年来水热法制备纳米陶瓷粉体作一概要介绍。

2 水热法制备纳米陶瓷粉体的原理及特点2．1水热法概述水热法(hydrothermal preparation)是指密闭体系如高压釜中，以水为溶剂，在一定的温度和水的自生压力下，原始混合物进行反应的的一种合成方法。

由于在高温，高压水热条件下，能提供一个在常压条件下无法得到的特殊的物理化学环境，使前驱物在反应系统中得到充分的溶解，并达到一定的过饱和度，从而形成原子或分子生长基元，进行成核结晶生成粉体或纳米晶。

根据化学反应类型的不同，水热法制备粉体有如下几种方法：(1)水热氧化(Hydrothermal Oxidation)利用高温高压，水、水溶液等溶剂与金属或合金可直接反应生成新的化合物。

水热合成•水热与溶剂热合成是指在一定温度(100-1000℃)和压强(1-100MPa)条件下利用溶液中物质化学反应所进行的合成。

•因为合成反应在高温和高压下进行，所以产生对水热与溶剂热合成化学反应体系的特殊技术要求，如耐高温高压与化学腐蚀的反应釜等。

•在高压釜里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器的加热，创造一个高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶。

按照研究对象和目的的不同，水热法可以分为水热晶体生长、水热合成、水热反应、水热处理和水热烧结等。

它们分别用于生长单晶、制备超细无团聚陶瓷粉体、完成某些有机化学反应。

反应釜的装满度•装满度是指反应混合物占密闭反应釜空间的体积分数•它之所以非常重要，是由于直接涉及到试验安全以及合成试验的成败•在试验上，装满度一般控制在60％～80％之间。

反应容器内的压强对于水热合成实验，水的p-T图是很重要的。

在工作条件下，压强大多依赖于反应容器中原始溶剂的填充度。

填充度通常在50％～80％为宜。

压强是在：0.02～0.3GPa。

水热条件下晶体生长•步骤：•1). 物料在水热介质里溶解，以离子、分子或离子团的形式进入溶液（溶解阶段）；•2). 由于体系中存在十分有效的对流，这些离子、分子或离子团被输运到生长区（生长区）；•3). 离子、分子或原子团在生长界面上的吸附与分解；•4). 吸附物质在界面上的运动；•5). 结晶。

•例如SiO 2单晶的生长，反应条件为0.5mol/L-NaOH ，温度梯度410-300℃，压力120MPa ，生长速率l-2mm/d ；若在反应介质0.25mol/L-Na 2C03，中，则温度梯度为400-370℃，装满度为70％，生长速率1-2.5mm/d 。

①溶质离子的活化②活化了的离子受生长体表面活性中心吸引（静电引力、化学引力和范德华引力），穿过生长表面的扩散层而沉降到石英体表面。

水热合成粉体•水热法是制备结晶良好、无团聚或少团聚的超细陶瓷粉体的优选方法之一。

收稿日期：２００５－０９－２６。

收修改稿日期：２００５－１２－１６。

国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．６０５７６０１２）和北京市“拔尖创新人才选拔计划”资助项目。

＊通讯联系人。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｍｋ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ第一作者：侯磊，男，２４岁，硕士研究生；研究方向：电子陶瓷材料及器件。

"""""#"$%%%%%$"$研究简报无铅压电陶瓷的研究开发是功能陶瓷研究的重要内容之一［１，２］。

其中，钛酸铋钾（Ｋ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３，缩写为ＫＢＴ）是无铅压电体系的重要候选材料之一，为钙钛矿结构铁电体，室温时为四方晶系，居里点３８０℃。

目前，该体系的合成多采用传统固相法，得到的ＫＢＴ粉体较粗（微米级），烧结活性差，很难获得致密陶瓷，限制了其在压电方面的应用［３，４］。

水热法是近年来发展较快的陶瓷合成工艺，该方法通过高温、高压的水热环境使一些难溶或不溶的物质溶解、反应形成新的化合物，在较低温度下（通常为２５０℃以下）合成出结晶完整、尺寸均匀、活性高的纳米粉体，适合低温烧结制备高性能陶瓷［５］。

本课题组成功应用水热法制备出Ｎａ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３（ＮＢＴ）纳米晶须［６］。

但是，有关Ｋ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３的水热合成报道极少［７］。

本文采用水热法合成ＫＢＴ纳米粉体，讨论了不同水热反应条件，如温度、矿化剂浓度等因素对产物的影响。

并且进一步对ＫＢＴ纳米粉体进行烧结，研究了陶瓷的烧结特性与电学性能。

１实验部分１．１原料与试剂反应试剂：分析纯Ｂｉ（ＮＯ３）３・５Ｈ２Ｏ（北京化工厂，＞９９％），ＴｉＯ２（北京化工厂，＞９９％）和ＫＯＨ（北京化工厂，＞９９％），溶剂：蒸馏水。

为了减少引入产物中杂质离子的种类，实验中采用ＫＯＨ作为水热过程的碱性激活剂。

水热法合成Ｋ０．５Ｂｉ ０．５Ｔｉ Ｏ３纳米陶瓷粉体侯磊侯育冬宋雪梅朱满康＊汪浩严辉（教育部新型功能材料重点实验室，北京工业大学材料科学与工程学院，北京１０００２２）关键词：水热法；钛酸铋钾；无铅压电陶瓷中图分类号：Ｏ６１２．４；ＴＭ２２３文献标识码：Ａ文章编号：１００１－４８６１（２００６）０３－０５６３－０４ＨｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆＫ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３Ｌｅａｄ－ｆｒｅｅＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｅｒａｍｉｃＨＯＵＬｅｉＨＯＵＹｕ－ＤｏｎｇＳＯＮＧＸｕｅ－ＭｅｉＺＨＵＭａｎ－Ｋａｎｇ＊ＷＡＮＧＨａｏＹＡＮＨｕｉ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓｏｆＣｈｉｎａＥｄｕｃａｔｉｏｎＭｉｎｉｓｔｒｙ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２２）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｋ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３（ＫＢＴ）ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｌｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｆｒｏｍＢｉ（ＮＯ３）３・５Ｈ２Ｏ，ＴｉＯ２ａｎｄＫＯＨ．Ｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｐｈａｓｅ，ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＸＲＤ，ＸＲＦ，ＲａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＴＥＭ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｓｗｅｒｅｐｕｒｅｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄＫ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３ｗｉｔｈｃｈｅｍｉｃａｌｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙａｎｄｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴｈｅＴＥＭｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｒｅｖｅａｌｅｄｔｈａｔｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｐｏｓｓｅｓｓｅｄａｆｅａｔｕｒｅｏｆｃｕｂｉｃｓｈａｐｅａｎｄａｎａｎｏ－ｓｃａｌｅｏｆａｂｏｕｔ４０ｎｍ．ＴｈｅＫＢＴｃｅｒａｍｉｃｓｓｉｎｔｅｒｅｄａｔ１０４０℃ｆｒｏｍｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｄｅｒｓｓｈｏｗｈｉｇｈｅｒｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｂｅｔｔｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈａｎｔｈａｔｐｒｅｐａｒｅｄｂｙａｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｒｅａｃ－ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｔｈｏｄ；Ｋ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３；ｌｅａｄ－ｆｒｅｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃ第３期２００６年３月Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．３Ｍａｒ．，２００６无机化学学报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＩＮＯＲＧＡＮＩＣＣＨＥＭＩＳＴＲＹ第２２卷无机化学学报１．２合成方法与条件将称量好的０．００４ｍｏｌＢｉ（ＮＯ３）３・５Ｈ２Ｏ和０．００８ｍｏｌＴｉＯ２放入１００ｍＬ的聚四氟乙烯水热反应釜中，按８０％反应容器填充度加入蒸馏水和矿化剂ＫＯＨ，使ＫＯＨ浓度分别为０．５、２．０、６．０、８．０、１２．０和１６．０ｍｏｌ・Ｌ－１，然后在２００℃下水热处理４８ｈ。

水热法在锌化物陶瓷粉体合成中的应用作者：吴兴何晓东来源：《江苏陶瓷》2020年第02期摘要锌化物陶瓷粉体ZnO、ZnS、Zn1-xMxO和Zn1-xMxS（M=Co，Mn，Ni，x<1）广泛应用于催化剂、精细化工、信息等领域，但是因用常规固相法煅烧合成陶瓷粉体，要求高原料纯度、高煅烧温度，且合成的粉体易出现结构缺陷、团聚、颗粒粗大、成分不均匀等情况。

因大部分锌盐可溶于水，所以水热法适合制备含锌的陶瓷粉体，水热法具有溶剂环保、对原料纯度要求低、设备简单、易于操作的优势，同时合成温度低，制备的粉体形貌可控、成分均一。

本文系统地阐述了水热法在锌化物陶瓷粉体中的应用，对影响含锌化合物陶瓷水热制备的条件因素、制备种类进行分析总结，对其他锌化物陶瓷新体系的制备具有很好的参考价值和借鉴意义。

关键词水热法;锌化物陶瓷粉体;pH值0 前言水热法是指在特制的密闭反应器中，采用水溶液作为反应介质，通过将体系加热至临界温度（或接近临界温度），在反应体系中产生高压环境进行合成的一种方法。

所以水热法以水为溶剂，以简单的聚四氟乙烯内衬的封闭容器作为反应器，以可溶性无机盐作为前驱体，加适当的矿化剂，把该容器于一定的温度下放置一定的时间即可使反应完成，常用于制备纳米材料。

与其他制备方法相比较，晶体在水热条件下生长有如下优点：（1）水热晶体是在相对较低的热应力条件下生长的，因此其位错密度远低于高温熔体中生长的晶体;（2）水热晶体生长使用相对较低的温度，因而可得到其他方法难以获取的物质低温同质异构体;（3）水热法晶体生长是在一密闭系统里进行的，可以控制反应气氛而形成氧化或还原反应条件，实现其他方法难以获取的物质的某些物相生成;（4）水热反应体系存在溶液的快速對流和十分有效的溶质扩散，因此水热结晶具有较快的生长速率，所以水热法是制备高纯度纳米级粉体的有效途径。

含锌化合物应用广泛，如氧化锌可以使陶瓷材料的机械和电性能得到改善，是一种重要的陶瓷化工熔剂原料和半导体材料。