淺談溶膠—凝膠法制備鈦酸鋇納米粉體分析

郭向華

摘 要：鈦酸鋇納米粉體的形貌控制和制備技術在近年來得到較好的發展。概述性地分析了制備鈦酸鋇納米粉體的方法，并在此基礎上詳細介紹了溶膠-凝膠法在制備納米鈦酸鋇材料中的主要方法，最后探討了該技術的發展趨勢，以期為相關學者的研究提供參考。

關鍵詞：溶膠-凝膠法；鈦酸鋇；納米粉體；陶瓷晶粒

中圖分類號：TB383.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0031-02

鈦酸鋇的介電、壓電、鐵電和絕緣性能等均較好，其主要應用于無鉛介電陶瓷的制造。但在信息產業不斷發展的情況下，人們對多層電磁電容器功能提出了更高的要求，需將介質層當中的陶瓷晶粒控制為亞微米級，甚至達到納米級。目前，該方面的制備技術處于快速發展階段，較為常用的技術包括兩類：一類為軟化學法，例如溶膠-凝膠法、水熱法、化學沉淀法、超聲波合成法等；一類為硬化學法，典型的方法為固相法。本文就溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇納米粉體進行探討。

1 制備鈦酸鋇納米粉體的方法

如上文所述，制備鈦酸鋇納米粉體的方法包括自蔓延合成法、高溫固相法、水熱法、溶膠-凝膠法和超聲波合成法等。但我國在工業生產中，常用的方法為高溫固相法，該方法也被稱之為固相合成法，主要是在高溫條件下，對二氧化鈦、碳酸鈉或其他鋇鈦化合物進行煅燒。但由于該方法需要較高的溫度，且粉體硬團將會大量聚集在一塊，所以其產品的性能不能達到現代電子工業的發展要求。

在人們不斷的研究下，大多學者傾向于液相化學法方面的研究，通過此類方法可以完成陶瓷粉體的制備。在所研究出的方法中，尤以溶膠-凝膠法的制備工藝最為簡單，且容易控制，外加其熱處理和反應溫度均較低，產物的粒徑較細，雜質含量較低、分布廣，所以它逐漸發展為制作納米材料的主要方法。此外，其制造出的材料質量較高，產業化生產的潛力巨大。

2 溶膠-凝膠法在制備納米鈦酸鋇中的應用

溶膠-凝膠法在進行納米鈦酸鋇材料的制備時，首先，應將醇當作溶劑，其中鋇及鈦的無機鹽和醇鹽在水解下能夠形成溶膠；然后，需將溶膠進行脫水，促使其保持干燥的狀態；最后，通過焙燒處理，即可得到納米鈦酸鋇粉體（具體工藝如圖1所示）。這種方法能夠構成溶膠，且溶膠能夠轉換到凝膠的氧化物系中。溶膠-凝膠法在制備納米鈦酸鋇粉體中的應用，還可細分為醇鹽水解法、氫氧化物醇鹽法、羧基醇鹽法和自然合成法等。

2.1 醇鹽水解法

在使用該方法進行制備時，通常將鋇和鈦作為原料。首先，應按照化學計量的方法配比這兩種原料，促使其溶解到醇中，在相關條件下發生水解后形成溶膠；再經過干燥和焙燒處理后，即可獲得納米鈦酸鋇粉體；同時，在應用溶膠-凝膠法時，如果是進行鐵電薄膜材料的制備，通常可將金屬醇鹽作為前驅物，并將醇作為溶劑。另外，在制備過程中，增加水量、濃度、溫度、催化劑和絡合劑等，都會影響溶膠的制備。該方法具有高活性、高分散性和高純度的優點，但同時由于醇鹽較容易吸潮并發生水解，外加價格昂貴，所以較難在工業生產中進行廣泛應用。

2.2 氫氧化物醇鹽法

在采用該方法進行制備時，需將鈦醇鹽和氫氧化鋇作為原料。該方法的關鍵在于掌握好反應過程中的各個條件。例如Ti-OH 官能團較容易出現自行縮合的問題，進而出現鈦混合物和富鋇相。對于該反應的控制較難，所以在應用中存在一定的不足，首先表現為水解速度的控制需以大量有機溶劑作為支撐，并且Ba（OH）2含有毒性。

2.3 羧基醇鹽法

該方法主要是將鈦醇鹽和有機酸鋇的乙醇溶液進行加熱，并加入醋酸改變其性質。當處于酸性條件下時，能夠構成穩定的醋酸鋇和鈦酯，混合后可生成Ba-Ti凝膠。該結構與在二氧化鈦的玻璃結構中加入Ba2+相一致；同時，在700 ℃甚至更低的溫度下煅燒，可將Ba-Ti凝膠轉換為納米鈦酸鋇晶體。

2.4 自然合成法

自然合成法屬于在自我燃燒的條件下逐步構成所需產物的制造方法。在具體的應用中，體系所需燃燒點的火溫度較低，一般在150～200 ℃之間；其燃燒火焰的溫度也較低，一般僅需1 000～1 400 ℃。在這樣的條件下，較容易獲得分散性高、細度較高的粉體。該種方法的反應速度較快，通常在幾分鐘或十幾分鐘內便可完成，各組分的復合發生在原子或分子粒級中。同時，其耗能量較低，點燃后一般能實現自身保持燃燒的目的，工藝和設備較簡單，所需費用少，成本低，有利于提高成品的純度。所以該方法受到許多廠家的喜愛。圖2為鈦酸鋇納米粉體的合成機理。

在具體的應用過程中，還可以Ba（NO3）2—TiO（NO3）2—C6H8O7—H2ONH4NO3作為反應體，將其置于250 ℃的溫度下進行燃燒，可形成四方相的鈦酸鋇粉體，并且其晶粒度控制在50 nm以下，不含任何雜質。在整個制備過程中，所用的設備和工藝均相對簡單，具有較好的應用前景。

2.5 檸檬酸鹽法

該方法在制備超導氧化物粉體中已得到一定程度的應用。在應用過程中，對溫度的要求較低。首先，應制作檸檬酸鈦溶液；再與檸檬酸鋇鹽混合，獲取凝膠，待干燥后進行煅燒；最后可獲取鈦酸鋇納米粉體，其粒徑約為30 nm。影響該方法的主要因素有含水量、pH值和煅燒溫度等。通常情況下，應保證煅燒的溫度高于600 ℃，而反應的時間則需控制為2 h，之后便可獲取單相四方相的鈦酸鋇粉體；而pH值則應控制在7左右，在這樣的條件下，通常能夠得到分散性較好、粉體較均勻的鈦酸鋇粉體。

2.6 鈦酸丁酯鋇鹽法

在應用該方法進行鈦酸鋇納米粉體的制備時，通常需將乙酸鋇和太酸四正丁酯作為主要的原料，之后加入四正丁氧基鋯，通過相應的操作可得到薄膜。此外，該方法的原料還可以是硬脂酸鋇、以鈦酸丁酯、醋酸鋇等。在應用此方法時，應控制水解的用水量為85 mL左右，混合溶液的pH為3.5，而凝膠化的溫度則需控制為93～95 ℃之間，煅燒的溫度則應為700～900 ℃之間，在這樣的工藝參數下所制備出的鈦酸鋇納米粉體性能較好。

3 用溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇納米粉體的難題

3.1 納米粉體團聚的問題

鈦酸鋇納米粉體要求其晶體具備較好的分散性，且粒徑要足夠小、分布窄。但在實際中，大多成品往往存在團聚的問題。但通過應用以上各類方法，能夠較好地解決這一問題。例如，有學者通過添加表面活性劑聚二乙醇，合成的鈦酸鋇納米粉體可低于50 nm，該種方法制備出的鈦酸鋇納米粉體具有較好的分散性且粉體的團聚較小。通過應用表明，使用活性劑可以降低納米顆粒的團聚現象。

3.2 制備的成本問題

在目前所采用的技術中，對納米粒子的成長成核的控制、獲取分布極為均勻的鈦酸鋇納米粉體較為困難，需對加工工藝和制備方法進行科學的改進和完善。在研究過程中，部分學者通過改變其溫度，快速轉變溶膠為凝膠，然后通過蒸餾濃縮法促使凝膠干燥，最后應用焙燒和加熱干燥的凝膠，最終得到納米粉體。采用該方法，能夠回收、應用大量的溶劑，可大大縮短合成周期和工藝路線。

3.3 生產技術還不夠完善

目前，溶膠-凝膠的制備方法僅適用于少量的生產或實驗，還不能夠在工廠中實施規模化的生產。所以，為了提高該方面的工業制備水平，還需改進制備方法，減少對國外技術的依賴程度。在新方法的研究中，學者將水熱法與溶膠-凝膠方法相結合，在低溫的條件下便可獲取純鈣鈦礦型的納米鈦酸鋇粉體，其中的關鍵環節在于對鈦酸四丁酯Ti源進行改進，改性試劑可選用乙酰丙酮。

4 溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇納米粉體的發展趨勢

在對溶膠-凝膠技術不斷深入研究的基礎上，尤其是對于表面改性和粉體制備技術方面的研究，大多數學者認為，如果在非水解溶膠-凝膠中加用表面活性劑，可對粉體的大小和形貌進行有效的控制，可得出純度較高、溫度較低、分散性較好、燒結性能較高和粒度分布范圍較窄的鈦酸鋇納米粉體。這對納米級的鈦酸鋇晶體材料實現工廠化的生產較為有利，應用前景較廣。與此同時，結合其他制備方法，也能夠在較大程度上促進溶膠-凝膠制備方法的深化發展。通過該方面的應用，能夠為鈦酸鋇納米粉體的制備提供新的思路和工藝，并促進其他性能的納米級鈦酸鋇粉體的制備，可較大程度地促進我國該方面的技術發展。

綜上所述，納米粉體材料的制備技術處于快速的發展中，部分技術已得到較為廣泛的應用，該類技術具有較大的發展潛能。溶膠-凝膠方法作為極具優勢的方法，其在生物材料、電子材料及結構陶瓷材料等領域當中具有相對較廣的應用。在各類新技術及新設備的不斷應用下，溶膠-凝膠技術會得到更好的發展。

參考文獻

[1]孫佳林，何曉燕，王興磊，等.微波輔助溶膠-凝膠法合成鑭摻雜鈦酸鋇納米微粉[J].伊犁師范學院學報（自然科學版），2014（01）.

[2]楊兵初，熊健，鄧聯文，等.Nd摻雜對鈦酸鋇電磁及微波吸收特性影響研究[J].功能材料，2011（05）.

〔編輯：李玨〕

3 用溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇納米粉體的難題

3.1 納米粉體團聚的問題

鈦酸鋇納米粉體要求其晶體具備較好的分散性，且粒徑要足夠小、分布窄。但在實際中，大多成品往往存在團聚的問題。但通過應用以上各類方法，能夠較好地解決這一問題。例如，有學者通過添加表面活性劑聚二乙醇，合成的鈦酸鋇納米粉體可低于50 nm，該種方法制備出的鈦酸鋇納米粉體具有較好的分散性且粉體的團聚較小。通過應用表明，使用活性劑可以降低納米顆粒的團聚現象。

3.2 制備的成本問題

在目前所采用的技術中，對納米粒子的成長成核的控制、獲取分布極為均勻的鈦酸鋇納米粉體較為困難，需對加工工藝和制備方法進行科學的改進和完善。在研究過程中，部分學者通過改變其溫度，快速轉變溶膠為凝膠，然后通過蒸餾濃縮法促使凝膠干燥，最后應用焙燒和加熱干燥的凝膠，最終得到納米粉體。采用該方法，能夠回收、應用大量的溶劑，可大大縮短合成周期和工藝路線。

3.3 生產技術還不夠完善

目前，溶膠-凝膠的制備方法僅適用于少量的生產或實驗，還不能夠在工廠中實施規模化的生產。所以，為了提高該方面的工業制備水平，還需改進制備方法，減少對國外技術的依賴程度。在新方法的研究中，學者將水熱法與溶膠-凝膠方法相結合，在低溫的條件下便可獲取純鈣鈦礦型的納米鈦酸鋇粉體，其中的關鍵環節在于對鈦酸四丁酯Ti源進行改進，改性試劑可選用乙酰丙酮。

4 溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇納米粉體的發展趨勢

在對溶膠-凝膠技術不斷深入研究的基礎上，尤其是對于表面改性和粉體制備技術方面的研究，大多數學者認為，如果在非水解溶膠-凝膠中加用表面活性劑，可對粉體的大小和形貌進行有效的控制，可得出純度較高、溫度較低、分散性較好、燒結性能較高和粒度分布范圍較窄的鈦酸鋇納米粉體。這對納米級的鈦酸鋇晶體材料實現工廠化的生產較為有利，應用前景較廣。與此同時，結合其他制備方法，也能夠在較大程度上促進溶膠-凝膠制備方法的深化發展。通過該方面的應用，能夠為鈦酸鋇納米粉體的制備提供新的思路和工藝，并促進其他性能的納米級鈦酸鋇粉體的制備，可較大程度地促進我國該方面的技術發展。

綜上所述，納米粉體材料的制備技術處于快速的發展中，部分技術已得到較為廣泛的應用，該類技術具有較大的發展潛能。溶膠-凝膠方法作為極具優勢的方法，其在生物材料、電子材料及結構陶瓷材料等領域當中具有相對較廣的應用。在各類新技術及新設備的不斷應用下，溶膠-凝膠技術會得到更好的發展。

參考文獻

[1]孫佳林，何曉燕，王興磊，等.微波輔助溶膠-凝膠法合成鑭摻雜鈦酸鋇納米微粉[J].伊犁師范學院學報（自然科學版），2014（01）.

[2]楊兵初，熊健，鄧聯文，等.Nd摻雜對鈦酸鋇電磁及微波吸收特性影響研究[J].功能材料，2011（05）.

〔編輯：李玨〕

3 用溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇納米粉體的難題

3.1 納米粉體團聚的問題

鈦酸鋇納米粉體要求其晶體具備較好的分散性，且粒徑要足夠小、分布窄。但在實際中，大多成品往往存在團聚的問題。但通過應用以上各類方法，能夠較好地解決這一問題。例如，有學者通過添加表面活性劑聚二乙醇，合成的鈦酸鋇納米粉體可低于50 nm，該種方法制備出的鈦酸鋇納米粉體具有較好的分散性且粉體的團聚較小。通過應用表明，使用活性劑可以降低納米顆粒的團聚現象。

3.2 制備的成本問題

在目前所采用的技術中，對納米粒子的成長成核的控制、獲取分布極為均勻的鈦酸鋇納米粉體較為困難，需對加工工藝和制備方法進行科學的改進和完善。在研究過程中，部分學者通過改變其溫度，快速轉變溶膠為凝膠，然后通過蒸餾濃縮法促使凝膠干燥，最后應用焙燒和加熱干燥的凝膠，最終得到納米粉體。采用該方法，能夠回收、應用大量的溶劑，可大大縮短合成周期和工藝路線。

3.3 生產技術還不夠完善

目前，溶膠-凝膠的制備方法僅適用于少量的生產或實驗，還不能夠在工廠中實施規模化的生產。所以，為了提高該方面的工業制備水平，還需改進制備方法，減少對國外技術的依賴程度。在新方法的研究中，學者將水熱法與溶膠-凝膠方法相結合，在低溫的條件下便可獲取純鈣鈦礦型的納米鈦酸鋇粉體，其中的關鍵環節在于對鈦酸四丁酯Ti源進行改進，改性試劑可選用乙酰丙酮。

4 溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇納米粉體的發展趨勢

在對溶膠-凝膠技術不斷深入研究的基礎上，尤其是對于表面改性和粉體制備技術方面的研究，大多數學者認為，如果在非水解溶膠-凝膠中加用表面活性劑，可對粉體的大小和形貌進行有效的控制，可得出純度較高、溫度較低、分散性較好、燒結性能較高和粒度分布范圍較窄的鈦酸鋇納米粉體。這對納米級的鈦酸鋇晶體材料實現工廠化的生產較為有利，應用前景較廣。與此同時，結合其他制備方法，也能夠在較大程度上促進溶膠-凝膠制備方法的深化發展。通過該方面的應用，能夠為鈦酸鋇納米粉體的制備提供新的思路和工藝，并促進其他性能的納米級鈦酸鋇粉體的制備，可較大程度地促進我國該方面的技術發展。

綜上所述，納米粉體材料的制備技術處于快速的發展中，部分技術已得到較為廣泛的應用，該類技術具有較大的發展潛能。溶膠-凝膠方法作為極具優勢的方法，其在生物材料、電子材料及結構陶瓷材料等領域當中具有相對較廣的應用。在各類新技術及新設備的不斷應用下，溶膠-凝膠技術會得到更好的發展。

參考文獻

[1]孫佳林，何曉燕，王興磊，等.微波輔助溶膠-凝膠法合成鑭摻雜鈦酸鋇納米微粉[J].伊犁師范學院學報（自然科學版），2014（01）.

[2]楊兵初，熊健，鄧聯文，等.Nd摻雜對鈦酸鋇電磁及微波吸收特性影響研究[J].功能材料，2011（05）.

〔編輯：李玨〕