λ‑(MxTi1‑x)3O5粉体及其制备方法与流程

本发明属于相变型粉体材料制备技术领域，特别涉及λ-(mxti1-x)3o5粉体及其制备方法。

背景技术：

λ-ti3o5作为一种新型的相变材料，因其特殊的晶体结构，在激光、热、压力、电流等外界刺激条件下可与β-ti3o5发生可逆的相变。该材料相变前后的光、电、磁等物理性能会发生明显的突变，恰好满足信息存储开关的要求，有望成为下一代传感器、光存储材料。同时，该相变过程伴随着能量的释放和吸收，在储能材料领域有很好的应用前景。但λ-ti3o5属于室温亚稳相，常规方法难以制备出高纯的λ-ti3o5。文献(synthesisofametaloxidewitharoomtemperaturephotoreversiblephasetransition,naturechemistry,2010,2(7):539-545）首次报道了通过高温氢气还原制备出λ-ti3o5粉体，但该制备方法成本高，危险性大，且只能还原与氢气接触的表面薄薄一层粉体，产量低，影响其大规模工业化生产。随后文献(preparationandcharacterizationofλ-ti3o5bycarbothermalreductionoftio2,journalofalloysandcompounds,2015,621:404-410）报道了用碳热还原法也可以制备出λ-ti3o5粉体，但该方法对原料的要求极高，需要在纳米二氧化钛表面包覆一层无机材料，过程繁琐，操作复杂。因此需要寻求更安全可靠、工艺过程简单、低成本、易于大规模生产的方法来实现系列λ-ti3o5粉体的制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对目前现有技术的不足，提供λ-(mxti1-x)3o5粉体及一种低成本、工艺过程简单、安全可控、易于大规模生产的制备方法。

本发明所述的λ-(mxti1-x)3o5粉体是以λ-ti3o5为基的固溶体结构，金属元素m为溶质组元，x为0.02~0.3，所述m为al、mg、y、zr中的至少一种。

本发明所述的λ-(mxti1-x)3o5粉体的制备方法工艺步骤依次如下：

（1）配料

原料为tio2粉体、碳质还原剂、金属元素m源，按照获得λ-(mxti1-x)3o5粉体的化学反应式计量各原料配比；

（2）混料

将步骤（1）计量好的原料倒入混料容器中，加入分散介质后，在超声机中超声分散或球磨机中进行球磨分散，得到均匀混合的浆料，将所述浆料干燥后研磨得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料在模具中进行压制成型，得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体在流动的惰性保护气氛下于900℃~1250℃烧结10分钟~8小时，然后随炉冷却至室温后出炉得到烧结块体，将所述烧结块体研磨破碎后即获得λ-(mxti1-x)3o5粉体。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述的λ-(mxti1-x)3o5粉体引入了不同的金属元素来部分取代λ-ti3o5中ti的原子位点，从而改变其晶体结构，通过控制掺杂金属元素的种类和数量，可以实现相变特性的可控。

2、本发明所述的λ-(mxti1-x)3o5粉体是基于离子掺杂稳定化效应得到的，与现有的基于纳米尺寸稳定化的制备方法相比，对原料要求不高，成本低廉，工艺简单，安全可靠，便于工业化生产。

3、本发明所述的λ-(mxti1-x)3o5粉体的制备方法只需要保温10分钟就可以得到，而现有的制备方法至少需要保温几个小时，大大缩短了生产周期，显著提高生产效率，易于实现大规模生产。

附图说明

图1是实施例1制备的以al为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体的x射线衍射图。说明该粉体为单一物相的λ-ti3o5固溶体结构。

图2是实施例1制备的以al为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体的扫描电镜照片。

图3是实施例1制备的以al为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体的能谱图。

图4是实施例1制备的以al为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体经激光照射后的x射线衍射图。说明该粉体经激光照射后相变为β-ti3o5。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明所述λ-(mxti1-x)3o5粉体及其制备方法做进一步说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

下述实施例中，所述原料粉体均可以从市场购买。

实施例1

本实施例采用所述制备方法制备以al为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体，其化学式为(al0.06ti0.94)3o5，工艺步骤依次如下：

（1）配料

按照(al0.06ti0.94)3o5成分比计量各原料，各原料的重量百分比如下：

纳米tio2粉体91.66wt%，

纳米al2o3粉体3.76wt%，

纳米炭黑粉体4.58wt%；

（2）混料

将无水乙醇加入到步骤（1）计量好的原料中，超声分散得到混合均匀的浆料，将所述浆料置于70℃烘箱中干燥12小时得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料倒入压片机模具中，缓慢施加压力到15mpa，到达预定压力时保持5min，脱模后即可得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体置于电阻管式炉内的钼舟中，通入500ml/min的流动氩气20分钟以排尽管内空气，在该流动氩气气氛下升温至1050℃烧结2小时，然后随炉冷却至室温，取出烧结块体破碎研磨即可获得以al为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体。其x射线衍射谱图见图1，扫描电镜照片见图2，能谱图见图3，经激光照射后的x射线衍射图见图4。由图1可知该粉体为单一物相的λ-ti3o5固溶体结构。由图2可以看出，该粉体的颗粒尺寸为0.5~3微米。由图3可以得到各原子比接近理论化学配比(al0.06ti0.94)3o5。由图4可知该粉体经激光照射后相变为β-ti3o5。

实施例2

本实施例采用所述制备方法制备以y为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体，其化学式为(y0.04ti0.96)3o5，工艺步骤依次如下：

（1）配料

按照(y0.04ti0.96)3o5成分比计量各原料，各原料的重量百分比如下：

纳米tio2粉体90.17wt%，

纳米y2o3粉体5.32wt%，

纳米炭黑粉体4.51wt%；

（2）混料

将无水乙醇加入到步骤（1）计量好的原料中，超声分散得到混合均匀的浆料，将所述浆料置于70℃烘箱中干燥12小时得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料倒入压片机模具中，缓慢施加压力到15mpa，到达预定压力时保持5min，脱模取样即可得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体置于电阻管式炉内的钼舟中，通入500ml/min的流动氩气20分钟以排尽管内空气，在该流动氩气气氛下升温至1050℃烧结10分钟，然后随炉冷却至室温，取出烧结块体破碎研磨即可获得以y为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体。

实施例3

本实施例采用所述制备方法制备以mg为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体，其化学式为(mg0.02ti0.98)3o5，工艺步骤依次如下：

（1）配料

按照(mg0.02ti0.98)3o5成分比计量各原料，各原料的重量百分比如下：

纳米tio2粉体94.29wt%，

纳米mgo粉体0.10wt%，

纳米炭黑粉体4.71wt%；

（2）混料

将无水乙醇加入到步骤（1）计量好的原料中，超声分散得到混合均匀的浆料，将所述浆料置于70℃烘箱中干燥12小时得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料倒入压片机模具中，缓慢施加压力到15mpa，到达预定压力时保持5min，脱模取样即可得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体置于电阻管式炉内的钼舟中，通入500ml/min的流动氩气20分钟以排尽管内空气，在该流动氩气气氛下升温至1050℃烧结30分钟，然后随炉冷却至室温，取出烧结块体破碎研磨即可获得以mg为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体。

实施例4

本实施例采用所述制备方法制备以zr为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体，其化学式为(zr0.06ti0.94)3o5，工艺步骤依次如下：

（1）配料

按照(zr0.06ti0.94)3o5成分比计量各原料，各原料的重量百分比如下：

纳米tio2粉体87.07wt%，

纳米al2o3粉体8.58wt%，

纳米炭黑粉体4.35wt%；

（2）混料

将无水乙醇加入到步骤（1）计量好的原料中，超声分散得到混合均匀的浆料，将所述浆料置于70℃烘箱中干燥12小时得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料倒入压片机模具中，缓慢施加压力到15mpa，到达预定压力时保持5min，脱模取样即可得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体置于电阻管式炉内的钼舟中，通入500ml/min的流动氮气20分钟以排尽管内空气，在该流动氩气气氛下升温至1050℃烧结1小时，然后随炉冷却至室温，取出烧结块体破碎研磨即可获得以zr为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体。

实施例5

本实施例采用所述制备方法制备以al为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体，其化学式为(al0.06ti0.94)3o5，工艺步骤依次如下：

（1）配料

按照(al0.06ti0.94)3o5成分比计量各原料，各原料的重量百分比如下：

微米tio2粉体91.66wt%，

微米al2o3粉体3.76wt%，

微米石墨粉体4.58wt%；

（2）混料

将步骤（1）计量好的原料放入球磨罐中，球料比为4∶1，以无水乙醇为湿磨介质，400rpm转速下球磨12小时，使原料混合均匀，分离研磨球体得到混合浆料，将所述浆料置于70℃烘箱中干燥12小时得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料倒入压片机模具中，缓慢施加压力到20mpa，到达预定压力时保持5min，脱模后即可得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体置于电阻管式炉内的钼舟中，通入500ml/min的流动氮气20分钟以排尽管内空气，在该流动氩气气氛下升温至1100℃烧结2小时，然后随炉冷却至室温，取出烧结块体破碎研磨即可获得以al为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体。

实施例6

本实施例采用所述制备方法制备以y为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体，其化学式为(y0.04ti0.96)3o5，工艺步骤依次如下：

（1）配料

按照(y0.04ti0.96)3o5成分比计量各原料，各原料的重量百分比如下：

微米tio2粉体90.17wt%，

微米y2o3粉体5.32wt%，

微米石墨粉体4.51wt%；

（2）混料

将步骤（1）计量好的原料放入球磨罐中，球料比为4∶1，以无水乙醇为湿磨介质，400rpm转速下球磨12小时，使原料混合均匀，分离研磨球体得到混合浆料，将所述浆料置于70℃烘箱中干燥12小时得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料倒入压片机模具中，缓慢施加压力到20mpa，到达预定压力时保持5min，脱模取样即可得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体置于电阻管式炉内的钼舟中，通入500ml/min的流动氮气20分钟以排尽管内空气，在该流动氩气气氛下升温至1100℃烧结3小时，然后随炉冷却至室温，取出烧结块体破碎研磨即可获得以y为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体。

实施例7

本实施例采用所述制备方法制备以mg为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体，其化学式为(mg0.02ti0.98)3o5，工艺步骤依次如下：

（1）配料

按照(mg0.02ti0.98)3o5成分比计量各原料，各原料的重量百分比如下：

微米tio2粉体94.29wt%，

微米mgo粉体0.10wt%，

微米石墨粉体4.71wt%；

（2）混料

将步骤（1）计量好的原料放入球磨罐中，球料比为4∶1，以无水乙醇为湿磨介质，400rpm转速下球磨12小时，使原料混合均匀，分离研磨球体得到混合浆料，将所述浆料置于70℃烘箱中干燥12小时得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料倒入压片机模具中，缓慢施加压力到20mpa，到达预定压力时保持5min，脱模取样即可得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体置于电阻管式炉内的钼舟中，通入500ml/min的流动氮气20分钟以排尽管内空气，在该流动氩气气氛下升温至1100℃烧结5小时，然后随炉冷却至室温，取出烧结块体破碎研磨即可获得以mg为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体。

实施例8

本实施例采用所述制备方法制备以zr为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体，其化学式为(zr0.06ti0.94)3o5，工艺步骤依次如下：

（1）配料

按照(zr0.06ti0.94)3o5成分比计量各原料，各原料的重量百分比如下：

微米tio2粉体87.07wt%，

微米al2o3粉体8.58wt%，

微米石墨粉体4.35wt%；

（2）混料

将步骤（1）计量好的原料放入球磨罐中，球料比为4∶1，以无水乙醇为湿磨介质，400rpm转速下球磨12小时，使原料混合均匀，分离研磨球体得到混合浆料，将所述浆料置于70℃烘箱中干燥12小时得到混合粉料；

（3）成型

将步骤（2）所得混合粉料倒入压片机模具中，缓慢施加压力到20mpa，到达预定压力时保持5min，脱模取样即可得到成型块体；

（4）烧结

将步骤（3）所得成型块体置于电阻管式炉内的钼舟中，通入500ml/min的流动氮气20分钟以排尽管内空气，在该流动氩气气氛下升温至1100℃烧结8小时，然后随炉冷却至室温，取出烧结块体破碎研磨即可获得以zr为溶质组元的λ-(mxti1-x)3o5粉体。