多晶的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶體材料的制備方法，特別是涉及一種稀土鈦化合物晶體的制備方法，應(yīng)用于磁電功能晶體材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)于稀土鈦氧化物性質(zhì)的研究作為凝聚態(tài)物理的經(jīng)典課題之一，已經(jīng)有了較為深厚的研究背景。同時，磁制冷技術(shù)是新興的制冷技術(shù)之一，它在制冷技術(shù)中的優(yōu)越性已經(jīng)得到證實(shí)，將稀土鈦氧化物與磁制冷技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的研究正越來越多的得到關(guān)注。基于磁熱效應(yīng)(Magnetocaloric Effect, MCE)的制冷技術(shù)由于其在制冷效率以及環(huán)境保護(hù)中的優(yōu)勢，正受到學(xué)術(shù)界的不斷重視。在磁熱效應(yīng)的研究中，尋找合適的磁性材料來實(shí)現(xiàn)磁制冷是該領(lǐng)域研究的主要目標(biāo)之一。為了將磁制冷技術(shù)商業(yè)化，研究人員在尋找能夠?qū)崿F(xiàn)低磁場磁制冷的磁性材料上投入了較大的努力。目前，在尋找磁熱材料的過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量在相變溫度附近顯示出較強(qiáng)磁熱效應(yīng)的一階磁相變材料，但它們大多數(shù)都需要借助強(qiáng)磁場才能體現(xiàn)可觀的磁熱效應(yīng)，同時，由于一階相變的存在使得在磁制冷循環(huán)中材料容易發(fā)生額外的熱交換，從而降低磁制冷效率。由此，尋找具有較強(qiáng)磁熱效應(yīng)，特別是能在低磁場下由二階磁相變實(shí)現(xiàn)可觀磁熱效應(yīng)的磁性材料。
[0003]由于稀土鈦氧化物RTi03(R是稀土元素)的磁學(xué)性質(zhì)、電子軌道耦合以及結(jié)構(gòu)畸變的特點(diǎn)，此類材料在磁熱效應(yīng)的研究中不斷受到重視。并且自從在層狀銅氧化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象以來，作為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)金屬氧化物的RTi03更是引起了人們很大的興趣。2010年以來，科研工作者針對HoTi03，EuTi03，TmTi03等晶體的磁熱效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并發(fā)現(xiàn)這一系列材料的磁熱效應(yīng)是由居里點(diǎn)Tc材料的磁化強(qiáng)度的變化所引起的。隨著不同溫度下磁熱效應(yīng)的研究工作的不斷深入，稀土鈦氧化物將受到越來越多的關(guān)注。
[0004]RTi03多晶之前一直采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備，由于三價鈦酸鹽在加熱至300°C附近易生成其它成分的衍生物，并且Ti3+在空氣中極易被氧化為Ti4+，傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法由于升溫速率慢，樣品在加熱過程中會產(chǎn)生一些衍生雜質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種采用微波加熱法制備三價易氧化鈦酸鹽RTi03多晶的方法，利用微波加熱的方法制備RTi03多晶，克服在反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間上存在的限制，很大程度上避免了雜質(zhì)的生成。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種采用微波加熱法制備三價易氧化鈦酸鹽RTi03多晶的方法，包括如下步驟:
①初始原料的準(zhǔn)備和預(yù)成型工藝:
a.分別采用Ti203和純度為3N以上的R203作為初始原料，式中R=Sm、Nd或La，將Sm203、Nd203或La203與Ti203按摩爾比為1:1的比例稱量后，將各初始原料充分混合；
b.將在所述步驟a中充分混合的原料研磨得到多晶料粉，再將研磨后的原料粉體和多晶料粉放入模具中，在不低于10 MPa的壓力下等靜壓成型，制備出RTi03原料片；
②多晶樣品的微波加熱制備工藝:
a.采用微波加熱系統(tǒng)和氣氛控制系統(tǒng)，在所述步驟①中制備的RTi03原料片置于小號坩禍中，覆蓋以碳化硅SiC粉末，再將置有樣品片的小號坩禍置于中號坩禍中，同樣在兩個坩禍間的空隙處填滿SiC粉末，最后將置有樣品片的中號坩禍于微波加熱系統(tǒng)的微波爐中，氣氛控制系統(tǒng)在反應(yīng)過程中保持反應(yīng)腔內(nèi)穩(wěn)定的非氧化氣氛環(huán)境;微波加熱系統(tǒng)能優(yōu)選能在5 min內(nèi)將的反應(yīng)溫度提升至1000°C以上;優(yōu)選微波加熱系統(tǒng)的反應(yīng)腔內(nèi)氣氛為惰性氣體氣氛；
b.準(zhǔn)備工作完成后，接通微波加熱系統(tǒng)的電源，設(shè)置加熱時間和加熱功率，在反應(yīng)中，微波波長為122 mm，頻率為2450 MHz，加熱時間為25 min，制備完成后使反應(yīng)產(chǎn)物在反應(yīng)腔內(nèi)氣氛中隨爐降至室溫，即得到高純度的RTi03多晶材料。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明升溫速率高，加熱效率高，本發(fā)明制備方法將合成時間大大縮短，微波合成時，材料內(nèi)外同時均勻加熱，這樣材料內(nèi)部熱應(yīng)力可以減少到最小，其次在微波電磁能作用下，材料內(nèi)部分子或離子的動能增加，可以進(jìn)行快速合成，另外，由于微波加熱使原本固相反應(yīng)所需的合成時間大大縮短，使其比傳統(tǒng)加熱合成節(jié)能70-90%，降低了能耗費(fèi)用，大大提高了能源的利用效率，本發(fā)明方法制得的多晶樣品將為后續(xù)的科學(xué)研究和應(yīng)用研究提供材料基礎(chǔ)；
2.本發(fā)明加熱方法具有選擇性，微波對物質(zhì)的作用有反射、透明、吸收等，只有對微波具有吸收作用的物質(zhì)才會被微波加熱，微波能同時促進(jìn)吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)，對化學(xué)反應(yīng)具有催化作用；
3.本發(fā)明微波合成的快速合成特點(diǎn)使得在合成過程中作為合成氣氛的氣體的使用量大大降低，這不僅降低了成本，也使合成過程中廢氣、廢熱排放量得到降低；
4.本發(fā)明利用SiC作為導(dǎo)熱材料，由于SiC本身具有高化學(xué)惰性、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)，且不會因加熱而發(fā)生不連續(xù)性熱膨脹相變，故是良好的熱導(dǎo)介質(zhì)，同時由于SiC不與反應(yīng)物以及生成產(chǎn)物反應(yīng)可直接與樣品接觸，此操作可保證在5 min內(nèi)將樣品反應(yīng)溫度躍升至1000 °C，從而快速渡過成相不穩(wěn)定溫區(qū)，達(dá)到合成溫度。
【具體實(shí)施方式】
[0008]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，一種采用微波加熱法制備三價易氧化鈦酸鹽NdTi03多晶的方法，包括如下步驟:
①初始原料的準(zhǔn)備和預(yù)成型工藝:
a.分別采用純度為99.8%Ti203的和純度為99.9%的Nd203作為初始原料，將Nd203與Ti203按摩爾比為1:1的比例稱量后，將各初始原料充分混合；
b.將在所述步驟a中充分混合的原料用瑪瑙研缽研磨得到多晶料粉，再將研磨后的原料粉體和多晶料粉放入模具中，在10 MPa的壓力下等靜壓成型，制備出直徑13 mm且厚度約3 mm的NdTi03原料片； ②多晶樣品的微波加熱制備工藝:
a.采用微波加熱裝置，其主要有兩個部分構(gòu)成:微波加熱系統(tǒng)和氣氛控制系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)是由普通商用微波爐進(jìn)行改造升級，可保證在5 min內(nèi)將樣品反應(yīng)溫度躍升至1000°C以上，在所述步驟①中制備的NdTi03原料片置于小號坩禍中，覆蓋以碳化硅SiC粉末，再將置有樣品片的小號坩禍置于中號坩禍中，同樣在兩個坩禍間的空隙處填滿SiC粉末，最后將置有樣品片的中號坩禍于微波加熱系統(tǒng)的微波爐中，將導(dǎo)氣管放置于中號坩禍中，通入氬氣使反應(yīng)腔室與外界空氣隔絕，待氬氣充滿箱體內(nèi)后關(guān)閉反應(yīng)艙門，并繼續(xù)在反應(yīng)腔內(nèi)通以氬氣，同時減小氣流速度以防止氣體流速過快使得反應(yīng)腔內(nèi)的熱量大量散失，氣氛控制系統(tǒng)在反應(yīng)過程中保持反應(yīng)腔內(nèi)穩(wěn)定的氬氣氣氛環(huán)境，避免Ti3+被氧化生成雜質(zhì)；
b.準(zhǔn)備工作完成后，接通微波加熱系統(tǒng)的電源，設(shè)置加熱時間和加熱功率，在反應(yīng)中，微波波長為122 mm，頻率為2450 MHz，加熱時間為25 min，制備完成后使反應(yīng)產(chǎn)物在反應(yīng)腔內(nèi)氬氣氣氛中隨爐降至室溫，即得到高純度的NdTi03多晶。
[0009]本實(shí)施例制備方法利用微波加熱，同時以SiC為導(dǎo)熱材料，使樣品在極短的時間內(nèi)達(dá)到所需的反應(yīng)溫度，避免了低溫區(qū)雜相的生成。同時，反應(yīng)過程中保