一种纯相铁酸铋粉末和块体的制备方法.pdf

本发明一种纯相铁酸铋粉末和块体的制备方法，具体指一种通过改进后的固相反应法制备纯相铁酸铋粉体和块体的方法，涉及无机非金属材料制备技术领域。通过称料、球磨、加压、预烧、磨粉、洗涤、烘干步骤获得纯相铁酸铋粉末和基于纯相铁酸铋粉末步骤并通过塑化造粒、干压成型、烧结成块步骤获得纯相铁酸铋块体。本发明通过控制铋、铁元素含量比例，解决因铋元素铁过剩问题。通过加压预烧和通过控制升温速率、预烧温度和保温时间，减少Bi25FeO40含量和杂质产生。通过与稀硝酸反应和去离子水清洗，去掉Bi25FeO40杂质。通过控制烧结时的升温速率、烧结温度和保温时间，避免BiFeO3因高温分解。以提高BiFeO3块体坚硬致密。

权利要求书
1.  一种纯相铁酸铋粉末和块体的制备方法，其特征在于：所述纯相铁酸铋粉末的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：称料
按化学计量比称重，采用分析纯的Bi2O3、Fe2O3为原料，按原子比Bi:Fe＝1.05:1的比例称取原料，并混合均匀；
步骤二：球磨
把称好的原料放入球磨罐中，球磨8-10h；
步骤三：加压
把磨好的粉放入模具中，用台式粉末压片机加压到10MPa使之压成块体；
步骤四：预烧
把压好的块体放入马弗炉中预烧，
参数设置：从室温以2℃/min升到400℃，保温120min，然后在400℃的基础上以8℃/min升到750℃，保温30min，自然降温；
步骤五：磨粉
把预烧后的块体敲碎并磨成粉；
步骤六：洗涤
用去离子水配制20％的稀硝酸溶液，按10ml溶液:3g粉末的比例取稀硝酸溶液；把磨好的粉放入盛稀硝酸的烧杯中并用磁力搅拌器加热搅拌，设定温度60℃、转速1000r/min，并持续搅拌30min； 然后静置，直到固液分离；把液体去掉，用去离子水以同样的方法重复洗2-3次；
步骤七：烘干
把处理后的粉末放入烘箱，在80℃下烘3-5h，直到粉末变成鱼鳞状块体，再次磨细即得到纯铁酸铋粉末。

2.  如权利要求1所述的一种纯相铁酸铋粉末和块体的制备方法，其特征在于：所述纯相铁酸铋块体的制备方法，基于上述粉末的制备步骤，还包括如下步骤：
步骤一：塑化造粒
在制得的纯相BiFeO3粉末中加入5％-10％的PVA，并研磨均匀；
步骤二：干压成型
把混合PVA后的粉末倒入模具中，用台式粉末压片机加压到15MPa，保持2-3min；
把减压旋钮旋到压强以3-5MPa/min的速度下降的位置；
步骤三：烧结成块
把压好的块体放入马弗炉中烧结，
参数设置：从室温以10℃/min的升温速度升到750℃，保温10min，自然降温。

说明书一种纯相铁酸铋粉末和块体的制备方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料制备工艺技术领域，具体指一种通过改进后的固相反应法来制备纯相铁酸铋粉末和块体的方法。
背景技术
多铁材料是指同时具有铁电性、铁磁性和铁弹性中的两种或两种以上性质的材料，在传感器、换能器、信息存储器等高新技术领域中具有广泛的潜在应用，因而吸引了越来越多的关注，成为热门的多功能材料之一。
其中，铁酸铋(BiFeO3)在室温下同时具有铁电有序(TC＝1103K)和反铁磁有序(TN＝643K)，是少数几种室温单相多铁材料之一，具有很高的应用价值。然而，由于Bi元素易挥发，在制备过程中Bi的含量很难控制，而当Bi/Fe比例偏离化学计量比时，极易形成杂质相，如常见的Bi25FeO40、Bi2Fe4O9等。因此，通过普通的方法很难获得高纯度的BiFeO3，这在很大程度上阻碍了它的性能研究和实际应用。利用传统的溶胶-凝胶法制备BiFeO3虽然具有成分较稳定、纯度较高、所需温度较低等优点，但也存在着块体致密性差、成本高、实验风险大等缺点。相比之下，固相反应法具有反应效率高、易操作、危险小等特点，并且适合各种规格块体的制备。但是，单纯凭借传统的固相反应法仍然难以解决杂质相的形成问题，要获得高纯度的BiFeO3粉末和块体必须对传统的固相反应法进行改进。
发明内容
本发明的目的在于解决现有制备纯相BiFeO3技术中的缺点和不足，提出一种纯相铁酸铋粉末和块体的制备方法，是基于固相反应法的改进。改进后的固相反应法的基本原理是：首先，利用传统的固相反应法，通过控制各制备过程中的升温速度、保温温度以及保温时间，来减少杂质的种类和含量，达到初步提纯的目的；然后，利用湿化学法，让剩余的杂质与稀硝酸反应并溶于液体中；最后，通过清洗除去反应液体，并经烘干得到纯净的BiFeO3粉末。在制备块体时，通过快速升温和短时间保温的方法有效减少了杂质相的再次产生，同时也获得了高的致密性。本发明是一种更有效、更安全、更经济的高纯度BiFeO3制备方法。通过改进传统固相反应法制备BiFeO3的工艺流程，添加了湿化学反应步骤，获得了纯相的BiFeO3粉末和块体。既传承了传统固相反应法的优点，而且还解决了传统固相反应法中难以避免杂质相形成而无法获得纯相BiFeO3的难题。这种固相反应法与湿化学法相结合的改良工艺可用于特殊陶瓷的制备，以及脉冲激光沉积(PLD)、磁控溅射等薄膜沉积技术中高纯度靶材的制备。
附图说明
图1为本发明所述纯相BiFeO3粉末的制备流程框图；
图2为本发明所述纯相BiFeO3块体的制备流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明作进一步描述
1、本发明所述的一种纯相BiFeO3粉末的制备流程(如图1所示)，包括如下步骤：
步骤一，称料：使用FA1104电子分析天平，按化学计量比称重，采用分析纯的Bi2O3、Fe2O3为原料，按原子比Bi:Fe＝1.05:1的比例称取原料6g，并用药匙混合均匀。
步骤二，球磨：把称好的原料放入球磨罐中，把球磨罐放入行星式球磨机中，设置转速400r/min，球磨8-10h。
步骤三，加压：把磨好的粉末放入模具中，用药匙把粉末铺匀，用台式粉末压片机加压到10MPa使之压成块体。
步骤四，预烧：把压好的块体放入马弗炉中，设置参数，使炉内温度从室温以2℃/min升到400℃，然后保温120min，接着在400℃的基础上以8℃/min升到750℃，保温30min，最后自然降温。
步骤五，磨粉：利用玛瑙研钵把上述块体研磨1-1.5h，直到粉末能在研钵壁上形成一层均匀的粉末层。
步骤六，洗涤：用去离子水配制20％的稀硝酸溶液，按10ml溶液:3g粉末的比例取稀硝酸溶液20ml；把磨好的粉放入盛稀硝酸的烧杯中并用磁力搅拌器加热搅拌，设定温度60℃、转速1000r/min，并持续搅拌30min；然后静置，直到固液分离；把液体去掉，用去离子水以同样的方法重复洗2-3次。
步骤七，烘干：把处理后的粉末放入烘箱，在80℃下烘3-5h，直到粉末变成鱼鳞状块体，再次磨细即得到纯相BiFeO3粉末。
2、本发明所述的一种纯相BiFeO3块体的制备流程(如图2所示)，基于上述粉末的制备步骤，还包括如下步骤：
步骤一，塑化造粒：在制得的纯相BiFeO3粉末中加入5％-10％的PVA，并通过玛瑙研钵研磨均匀。
步骤二，干压成型：把混合PVA后的粉末倒入直径为2.2cm的模具中，用药匙把粉末铺匀，然后用台式粉末压片机加压到15MPa， 保持2-3min，然后把减压旋钮旋到压力以3-5MPa/min的速度下降的位置。
步骤三，烧结成块：把压好的块体放入马弗炉中烧结，设置炉内温度从室温以10℃/min的升温速度升到750℃，保温10min，最后自然降温。
综上所述，本发明所述的一种纯相铁酸铋粉末和块体的制备方法，是通过铋、铁元素含量比例的控制，结合传统的固相反应法与湿化学法，解决了因铋元素的挥发而极易形成杂质相的关键问题。具体通过加压预烧，使固相反应更充分更完全；通过控制预烧时的升温速度、保温温度和保温时间，抑制了Bi2Te4O9等杂质相的产生，并减少了Bi25FeO40杂质相的含量；再通过与稀硝酸反应和去离子水清洗，有效地去除了残余的Bi25FeO40杂质相；通过控制烧结时的升温速度、保温温度和保温时间，既避免了BiFeO3因高温而分解，也使得块体坚硬且致密，从而获得高质量的纯相BiFeO3块体。