專利名稱：一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO₃ 無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域，具體涉及一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法。
背景技術(shù)：
壓電、鐵電陶瓷是功能陶瓷材料中應(yīng)用最廣泛的一類，廣泛應(yīng)用在換能器、驅(qū)動(dòng)器、聲表面波以及濾波器、諧振器、限波器等頻率器件領(lǐng)域，包括電容器陶瓷在內(nèi)的壓電、鐵電陶瓷在世界市場(chǎng)份額中占整個(gè)功能陶瓷的三分之一。 1954年美國(guó)B. Jaffe等發(fā)現(xiàn)了 PbZrO3-PbTiO3(PZT)體系，該體系中存在著與溫度無(wú)關(guān)的相變，在相變點(diǎn)附近壓電性能出現(xiàn)極值。衍生出一系列新的壓電陶瓷材料。但是，由于在PZT系陶瓷中PbO的含量超過(guò)原料總質(zhì)量的60%以上，PbO是易揮發(fā)性的有毒物質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間工作在具有PbO的環(huán)境中，PbO將蓄積在人的體內(nèi)，致使大腦和神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷。另外，鉛基壓電陶瓷被廢棄后因管理不善而被丟棄在大自然中，鉛可以通過(guò)酸雨等途徑帶入水中、滲進(jìn)土壤，造成對(duì)地下水和農(nóng)田的污染，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。歐盟規(guī)定到2006年7月I日，所有新生產(chǎn)的電子產(chǎn)品都應(yīng)是無(wú)鉛的。我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部也將鉛等有害物質(zhì)列入電子信息產(chǎn)品污染防治目錄，但是，由于現(xiàn)在無(wú)鉛壓電陶瓷的性能還無(wú)法達(dá)到取代鉛基壓電陶瓷的要求，所以只能暫時(shí)把含鉛的壓電陶瓷列在被禁止的名單之外。然而，由于人類可持續(xù)發(fā)展的需要，壓電陶瓷的無(wú)鉛化是最終的發(fā)展方向。目前，在壓電陶瓷無(wú)鉛化的研究與開發(fā)上，世界各國(guó)均進(jìn)行了大量的工作。無(wú)鉛壓電陶瓷體系主要有6類(1)鈦酸鋇(BaTiO3,簡(jiǎn)寫為BT)基無(wú)鉛壓電陶瓷；(2)鈦酸鉍鈉(Bia5Naa5TiO3,簡(jiǎn)寫為BNT)基無(wú)鉛壓電陶瓷；(3)鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷；⑷鈮酸鹽系(包括Ka5Naa5NbO3,簡(jiǎn)寫為KNN)無(wú)鉛壓電陶瓷；(5)鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷(6)根據(jù)Satensky規(guī)則摻雜、復(fù)合取代改性而新開發(fā)的無(wú)鉛壓電陶瓷體系。與其它體系陶瓷相比，KNN系無(wú)鉛壓電陶瓷因具有介電常數(shù)小、壓電性能高、頻率常數(shù)大、密度小、居里溫度高等特點(diǎn)，成為當(dāng)前最有可能取代鉛基壓電陶瓷的體系之一。然而，傳統(tǒng)工藝獲得KNN壓電陶瓷有以下的缺點(diǎn)(I)在1140°C以上，KNN會(huì)出現(xiàn)液相，所以KNN的溫度穩(wěn)定性被限制在1140°C以下。(2)由于在900°C左右Na和K會(huì)以氧化物Na2O和K2O形成開始揮發(fā)，造成預(yù)燒和燒結(jié)的氣氛很難控制；(3)KNN在潮濕的環(huán)境時(shí)非常容易發(fā)生潮解，使化學(xué)計(jì)量發(fā)生偏離，導(dǎo)致產(chǎn)生雜相，使陶瓷難以燒結(jié)致密。上述原因都限制了KNN體系材料的實(shí)際應(yīng)用。為了克服純KNN陶瓷的上述缺陷、優(yōu)化它的壓電性能，A位離子的Na+和K+由Li+、Ag+等離子部分取代，B位的Nb5+由Ta5+、Sb5+等離子部分取代，從而形成新的KNN基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固溶(K、Na、L1、Ag) (Nb、Ta、Sb) O3是提高KNN陶瓷壓電性能的有效方法之一
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)氧化法制備LiTaO3純度較低的問(wèn)題，提出一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，具有反應(yīng)溫度低，反應(yīng)時(shí)間短，工藝簡(jiǎn)單，環(huán)境友好，合成的粉體純度較高及形貌較好的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，包括以下步驟步驟1:將原料Li2CO3和Ta2O5及礦化劑LiOH · H2O加入水中配成混合液，其中Li2CO3的濃度為O. 20mol/L, Ta2O5的加入量為O. 10mol/L, LiOH · H2O的濃度為O.44 O. 61mol/L;步驟2 :攪拌混合液，使Li2CO3和LiOH · H2O完全溶解，并使原料混合均勻，得水熱反應(yīng)的前驅(qū)液；
步驟3 :將前驅(qū)液移入反應(yīng)釜的內(nèi)襯中，再將內(nèi)襯放入反應(yīng)釜中，設(shè)定反應(yīng)溫度為240°C，反應(yīng)時(shí)間為36h ；步驟4:待反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)釜溫度降至室溫后，取出反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜中的產(chǎn)物洗滌后，再干燥，得到立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟I中LiOH · H2O的濃度為O. 61mol/L。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟2中的攪拌在室溫下進(jìn)行。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟2中的攪拌采用磁力攪拌。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟3中前驅(qū)液在反應(yīng)釜內(nèi)襯中的填充比為70%。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟3中的反應(yīng)釜內(nèi)襯為聚四氟乙烯材質(zhì)，反應(yīng)釜為不銹鋼材質(zhì)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟4中的洗滌為用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌產(chǎn)物至中性。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟4中的干燥為在70°C下恒溫干燥2h。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明采用Li2CO3 (碳酸鋰)和Ta2O5 (五氧化二鉭)為原料，以LiOH · H2O (一水合氫氧化鋰)為礦化劑，采用水熱法在較低的反應(yīng)溫度和時(shí)間下制備出純度較高、結(jié)晶性能良好的LiTaO3粉體，制得的LiTaO3粉體為立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)，形貌較好，且制得的LiTaO3粉體為三方晶系，晶相穩(wěn)定。本發(fā)明的反應(yīng)溫度低于傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備粉體溫度，本發(fā)明采用的裝置簡(jiǎn)單、能耗低、成本低廉，是一種工藝簡(jiǎn)單、低溫、高效、環(huán)境友好的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體制備方法。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例3制備的LiTaO3粉體的XRD圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例3制備的LiTaO3粉體的SEM圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1
一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，包括以下步驟步驟1:將Li2CO3^ Ta2O5和LiOH · H2O加入H2O中配成混合液，其中Li2CO3的濃度為 O. 20mol/L, LiOH · H2O 的濃度為 O. 44mol/L, Ta2O5 的加入量為 O.1OmoI/L ；步驟2 :室溫下磁力攪拌混合液，使Li2CO3與LiOH -H2O完全溶解，并使原料混合均勻，得水熱反應(yīng)的前驅(qū)液；步驟3 :將步驟2所得的前驅(qū)液移入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，控制前驅(qū)液的體積填充比為70%，再將聚四氟乙烯內(nèi)襯放入不銹鋼反應(yīng)釜中，設(shè)定溫度控制儀控制反應(yīng)溫度為240°C，反應(yīng)時(shí)間為36h ；步驟4:待反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)釜溫度降至室溫后，取出反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜中的產(chǎn)物用 去離子水和無(wú)水乙醇洗滌至中性后，在70°C下恒溫干燥2h，得到純相的立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體。實(shí)施例2一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，包括以下步驟步驟1:將Li2CO3^ LiOH · H2O和Ta2O5加入H2O中配成混合液，其中Li2CO3的濃度為 O. 20mol/L, LiOH · H2O 的濃度為 O. 51mol/L, Ta2O5 的加入量為 O.1OmoI/L ；步驟2 :室溫下磁力攪拌混合液，使Li2CO3和LiOH -H2O完全溶解，并使原料混合均勻，得水熱反應(yīng)的前驅(qū)液；步驟3 :將步驟2所得的前驅(qū)液移入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，控制前驅(qū)液的體積填充比為70%，再將聚四氟乙烯內(nèi)襯放入不銹鋼反應(yīng)釜中，設(shè)定溫度控制儀控制反應(yīng)溫度為240°C，反應(yīng)時(shí)間為36h ；步驟4:待反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)釜溫度降至室溫后，取出反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜中的產(chǎn)物用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌至中性后，在70°C下恒溫干燥2h，得到純相的立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體。實(shí)施例3一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，包括以下步驟步驟1:將Li2CO3^ LiOH · H2O和Ta2O5加入H2O中配成混合液，其中Li2CO3的濃度為 O. 20mol/L, LiOH · H2O 的濃度為 O. 61mol/L, Ta2O5 的加入量為 O.1OmoI/L ；步驟2 :室溫下磁力攪拌混合液，使Li2CO3和LiOH -H2O完全溶解，并使原料混合均勻，得水熱反應(yīng)的前驅(qū)液；步驟3 :將步驟2所得的前驅(qū)液移入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，控制前驅(qū)液的體積填充比為70%，再將聚四氟乙烯內(nèi)襯放入不銹鋼反應(yīng)釜中，設(shè)定溫度控制儀控制反應(yīng)溫度為240°C，反應(yīng)時(shí)間為36h ；步驟4:待反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)釜溫度降至室溫后，取出反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜中的產(chǎn)物用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌至中性后，在70°C下恒溫干燥2h，得到純相的立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體。采用XRD測(cè)定實(shí)施例3制備的LiTaO3粉體的物相組成，圖1是本發(fā)明實(shí)施例3制備的LiTaO3粉體的XRD圖；從圖1中可以看出實(shí)例3制得的LiTaO3樣品的所有衍射峰與PDF卡片(JCPDS NO. 71-0951)完全吻合，說(shuō)明制得的LiTaO3粉體為三方晶系，同時(shí)衍射峰的強(qiáng)度很高，說(shuō)明LiTaO3晶體的結(jié)晶性良好，晶相穩(wěn)定，LiTaO3粉體的純度較高。圖2是本發(fā)明實(shí)施例3制備的LiTaO3粉體的SEM圖。從圖2可以看出制得的LiTaO3粉體為立方塊狀與小球粒狀的混合結(jié)構(gòu)。以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員通過(guò)閱讀本發(fā)明說(shuō)明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)法案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵。
權(quán)利要求
1.一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法， 其特征在于包括以下步驟步驟1:將原料Li2CO3和Ta2O5及礦化劑LiOH · H2O加入水中配成混合液，其中Li2CO3 的濃度為 O. 20mol/L, Ta2O5 的加入量為 O. 10mol/L, LiOH · H2O 的濃度為 O. 44 O. 61mol/L;步驟2 :攪拌混合液，使Li2CO3和LiOH · H2O完全溶解，并使原料混合均勻，得水熱反應(yīng)的前驅(qū)液；步驟3 :將前驅(qū)液移入反應(yīng)釜的內(nèi)襯中，再將內(nèi)襯放入反應(yīng)釜中，設(shè)定反應(yīng)溫度為 240°C，反應(yīng)時(shí)間為36h ；步驟4 :待反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)釜溫度降至室溫后，取出反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜中的產(chǎn)物洗滌后， 再干燥，得到立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于所述步驟I中LiOH · H2O的濃度為O. 61mol/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于所述步驟2中的攪拌在室溫下進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于所述步驟2中的攪拌采用磁力攪拌。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于所述步驟3中前驅(qū)液在反應(yīng)釜內(nèi)襯中的填充比為70%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于所述步驟3中的反應(yīng)釜內(nèi)襯為聚四氟乙烯材質(zhì)，反應(yīng)釜為不銹鋼材質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于所述步驟4中的洗滌為用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌產(chǎn)物至中性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于所述步驟4中的干燥為在70°C下恒溫干燥2h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水熱法制備立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)的LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，將原料Li2CO3和Ta2O5及礦化劑LiOH·H2O加入水中配成各自加入量分別為0.20mol/L、0.10mol/L和0.44~0.61mol/L的混合液；將混合液攪拌均勻，得前驅(qū)液；將前驅(qū)液移入反應(yīng)釜內(nèi)襯中，設(shè)定反應(yīng)溫度為240℃，反應(yīng)時(shí)間為36h；反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物洗滌、干燥，得到LiTaO3無(wú)鉛壓電陶瓷粉體。本發(fā)明在較低的反應(yīng)溫度和時(shí)間下制備出結(jié)晶性能良好、晶相穩(wěn)定的三方晶系的LiTaO3粉體，制得的LiTaO3粉體為立方塊狀與小球粒狀混合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明裝置及工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、能耗低、成本低廉。
文檔編號(hào)C04B35/495GK103011839SQ20121056689
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者談國(guó)強(qiáng), 郝航飛, 熊鵬, 任慧君 申請(qǐng)人:陜西科技大學(xué)