一種鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境友好型材料領(lǐng)域，特別是提供一種鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷是一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，廣泛應(yīng)用于軍事、汽車、商業(yè)和醫(yī)療技術(shù)等領(lǐng)域。由于含鉛基壓電陶瓷具有較大的壓電常數(shù)，并且可以通過摻雜改性來調(diào)節(jié)器性能來滿足不同的應(yīng)用需求，所以在應(yīng)用中含鉛基壓電陶瓷仍是主要的應(yīng)用功能陶瓷，主要有?13(11，2003(?21')，？131103-?&2抑3-4803(4803為復(fù)合鈣鈦礦型鐵電體)及PbT13等。但是由于鉛具有毒性對環(huán)境具有不友好型，由于人類和大自然和諧相處以及可持續(xù)發(fā)展的需要，國內(nèi)外學(xué)者開始積極探索無鉛化的壓電陶瓷。
[0003]鈮酸鹽基(KNN)無鉛壓電陶瓷是在20世紀(jì)60年代左右首先發(fā)展研究。其化學(xué)通式為ABO3 (ASk、Na; B為Nb、Ta、Sb等)。鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷具有較高的居里點(diǎn)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和介電常數(shù)都比較低，聲傳播速度較大。然而，KNN壓電陶瓷的缺點(diǎn)，在高溫時燒結(jié)由于K，Na元素的揮發(fā)，導(dǎo)致化學(xué)計(jì)量比的偏離，很難通過傳統(tǒng)的燒結(jié)方法得到致密性很大的陶瓷體。為了克服純KNN陶瓷的上述缺陷、優(yōu)化它的壓電性能，主要集中在以下兩個方面:(I)組分摻雜改性；(2)制備工藝與織構(gòu)改性來改進(jìn)。
[0004]目前制備鈮酸鈉鉀基粉末的方法有水熱法、溶膠-凝膠法、固相反應(yīng)法、熔鹽法、共沉淀法等方法。很多傳統(tǒng)的方法在制備的過程中對條件的要求都比較苛刻，且生成的粉末顆粒直徑也比較大，固相法容易造成粒子之間的燒結(jié)板結(jié)且粒度顆粒大不均勻，因而不能達(dá)到納米級別的要求。水熱法可以直接制備粉體，省掉了傳統(tǒng)固相燒結(jié)工藝必須經(jīng)過的預(yù)燒階段，工藝簡單。水熱反應(yīng)的溫度比較低(200 1左右即可，溶膠-凝膠法通常在600 1以上)，所以更加環(huán)保節(jié)能。另外，水熱法制備的粉體，顆粒均勻，純度高，省時省力。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]面對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種同時具有制備工藝簡單和較高壓電性能的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。
[0006]本發(fā)明提供的一種鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷材料的化學(xué)組成SKaNabNbxSbyO3,其中0.2
<a<0.8,0.2<b<0.8,0.6<x< 1,0<χ<0.4ο
[0007]本發(fā)明按照化學(xué)組成，實(shí)驗(yàn)步驟如下:
(1)按照化學(xué)組成，將原料按照摩爾百分比計(jì)算出各自所需質(zhì)量，采用水熱法，將原料放入聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽，攪拌均勻，在溫度180-220 °C，保溫20-40小時，進(jìn)行鈮酸鹽的合成；
(2)抽濾、干燥后的粉末，加入適量5%的聚乙烯醇造粒陳化；
(3)將顆粒裝入Φ10-20 mm的模具中，壓制成型；
(4)陶瓷片排膠溫度為450-550°C，排膠時間1-8小時； (5)將排膠后的陶瓷片放入高溫爐，用剛玉粉埋燒，燒結(jié)溫度為900-1100°C，保溫時間1-4小時；
(6)將鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片被銀，極化，極化溫度為100-200°C，時間為10-30分鐘，電壓為1-8 kv/mm，完成極化I至2天后，對陶瓷片進(jìn)行性能測試。
[0008]本發(fā)明提出的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)環(huán)境友好型材料，不含鉛等有害成分，環(huán)保；
(2)陶瓷粉體制備簡單，不需要通過觀察反應(yīng)現(xiàn)象來判別反應(yīng)程度，操作方便，省時省力；
(3)較好的壓電性能，壓電常數(shù)d33能達(dá)到73pC/No
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的一個示例陶瓷材料的X射線衍射圖譜。
[0010]圖2為本發(fā)明的一個示例陶瓷材料的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明中的壓電陶瓷樣品，采取水熱法制備陶瓷粉體，常壓燒結(jié)工藝，其過程包括粉體制備、造粒陳化、壓片、燒結(jié)、被銀、極化等工藝流程。具體為:
(1)按照化學(xué)組成，將原料按照摩爾百分比計(jì)算出各自所需質(zhì)量，采用水熱法，將原料放入聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽，攪拌均勻，在溫度180-220 °C，保溫20-40小時，進(jìn)行鈮酸鹽的合成；
(2)抽濾、干燥后的粉末，加入適量5%的聚乙烯醇造粒陳化；
(3)將顆粒裝入Φ10-20 mm的模具中，壓制成型；
(4)陶瓷片排膠溫度為450-550°C，排膠時間1-8小時；
(5)將排膠后的陶瓷片放入高溫爐，用剛玉粉埋燒，燒結(jié)溫度為900-1100°C，保溫時間1-4小時；
(6)將鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片被銀，極化，極化溫度為100-200°C，時間為10-30分鐘，電壓為1-8 kv/mm，完成極化I至2天后，對陶瓷片進(jìn)行性能測試。
[0012]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于以下列舉的特定例子。
[0013]實(shí)施例1
(1)按照通SKaNabNbxSbyO3取 a=0.5，b=0.5，叉=1，7=0，采用厶1?或4_及的1(0!1、恥0!1、他203、Sb2O3為原料，按上式化學(xué)計(jì)量稱量。采用水熱法，將原料放入聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽，加入蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，在溫?80 °C，保溫24小時，進(jìn)行鈮酸鹽的合成；
(2)抽濾、干燥后的粉末，加入適量5%的聚乙烯醇造粒陳化；
(3)將顆粒裝入Φ10 mm的模具中，壓制成型；
(4)陶瓷片排膠溫度為5000C，排膠時間I小時；
(5)將排膠后的陶瓷片放入高溫爐，用剛玉粉埋燒，燒結(jié)溫度為1060°C，保溫時間2小時；
(6)將鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片被銀，極化，極化溫度為120°C，時間為15分鐘，電壓為3kv/mm，完成極化I天后，對陶瓷片進(jìn)行性能測試。
[0014]實(shí)施例2
(1)按照通SKaNabNbxSbyO3取a=0.5，b=0.5，x=0.96，y=0.04，采用AR或4N級的KOH、Na0H、Nb203、Sb203為原料，按上式化學(xué)計(jì)量稱量。采用水熱法，將原料放入聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽，加入蒸餾水?dāng)嚢杈鶆颍跍囟?00 °C，保溫24小時，進(jìn)行鈮酸鹽的合成；
(2)抽濾、干燥后的粉末，加入適量5%的聚乙烯醇造粒陳化；
(3)將顆粒裝入Φ10 mm的模具中，壓制成型；
(4)陶瓷片排膠溫度為5000C，排膠時間I小時；
(5)將排膠后的陶瓷片放入高溫爐，用剛玉粉埋燒，燒結(jié)溫度為1040°C，保溫時間2小時；
(6)將鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片被銀，極化，極化溫度為120°C，時間為15分鐘，電壓為3kv/mm，完成極化I天后，對陶瓷片進(jìn)行性能測試。
[0015]實(shí)施例3
(1)按照通SKaNabNbxSbyO3取a=0.5，b=0.5，x=0.96，y=0.04，采用AR或4N級的KOH、Na0H、Nb203、Sb203為原料，按上式化學(xué)計(jì)量稱量。采用水熱法，將原料放入聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽，加入蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，在溫?00 °C，保溫24小時，進(jìn)行鈮酸鹽的合成；
(2)抽濾、干燥后的粉末，加入適量5%的聚乙烯醇造粒陳化；
(3)將顆粒裝入Φ10 mm的模具中，壓制成型；
(4)陶瓷片排膠溫度為5000C，排膠時間I小時；
(5)將排膠后的陶瓷片放入高溫爐，用剛玉粉埋燒，燒結(jié)溫度為1080°C，保溫時間4小時；
(6)將鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片被銀，極化，極化溫度為120°C，時間為15分鐘，電壓為3kv/mm，完成極化I天后，對陶瓷片進(jìn)行性能測試。
[0016]實(shí)施例4
(1)按照通SKaNabNbxSbyO3取a=0.46，b=0.54，x=0.93，y=0.07，采用AR或4N級的Κ0Η、Na0H、Nb203、Sb203為原料，按上式化學(xué)計(jì)量稱量。采用水熱法，將原料放入聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽，加入蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，在溫?00 °C，保溫24小時，進(jìn)行鈮酸鹽的合成；
(2)抽濾、干燥后的粉末，加入適量5%的聚乙烯醇造粒陳化；
(3)將顆粒裝入Φ10 mm的模具中，壓制成型；
(4)陶瓷片排膠溫度為5000C，排膠時間I小時；
(5)將排膠后的陶瓷片放入高溫爐，用剛玉粉埋燒，燒結(jié)溫度為1060°C，保溫時間2小時；
(6)將鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片被銀，極化，極化溫度為120°C，時間為15分鐘，電壓為3kv/mm，完成極化I天后，對陶瓷片進(jìn)行性能測試；
圖1是其X射線衍射圖譜，圖2是其掃描電鏡照片。
[0017]在燒結(jié)溫度1060°C，保溫時間2小時，按照通式KaNabNbxSbyO3取a=0.46，b=0.54，x=
0.96,y=0.04,制備的陶瓷性能最優(yōu)d33達(dá)到73 pC/N，密度為4.39g/cm20
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料的化學(xué)組成為KaNabNbxSbyO3，其中 0.2〈a<0.8，0.2〈b<0.8，0.6<x<l，0<y<0.4。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷材料，其特征在于，0.4〈a< 0.6，0.4<b<0.6o3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷材料，其特征在于，0.8< χ<1,0<χ<0.2。4.一種制備權(quán)利要求1至3所述的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的方法，具體步驟如下: (1)按照化學(xué)組成，將原料按照摩爾百分比計(jì)算出各自所需質(zhì)量，采用水熱法，將原料放入聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽，攪拌均勻，在溫度180-220 °C，保溫20-40小時，進(jìn)行鈮酸鹽的合成； (2)抽濾、干燥后的粉末，加入適量5%的聚乙烯醇造粒陳化； (3)將顆粒裝入Φ10-20 mm的模具中，壓制成型； (4)陶瓷片排膠溫度為450-550°C，排膠時間1-8小時； (5)將排膠后的陶瓷片放入高溫爐，用剛玉粉埋燒，燒結(jié)溫度為900-1100°C，保溫時間1-4小時； (6)將鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片被銀，極化，極化溫度為100-200°C，時間為10-30分鐘，電壓為1-8 kv/mm，完成極化I至2天后，對陶瓷片進(jìn)行性能測試。
【專利摘要】一種鈮酸鈉鉀基壓電陶瓷及其制備方法，所述陶瓷材料的化學(xué)組成為KaNabNbxSbyO3，其中0.2<a≤0.8，0.2<b≤0.8，0.6<x≤1，0<x≤0.4。制備方法為通過水熱法低溫制備陶瓷粉體，加入粘合劑造粒陳化，排膠后常壓燒結(jié)，獲得陶瓷樣品。本發(fā)明的制備工藝簡單，操作方便，制備出的陶瓷片具有較好的壓電性能。
【IPC分類】C04B35/622, C04B35/495
【公開號】CN105541327
【申請?zhí)枴緾N201510708373
【發(fā)明人】馬聞辛, 付興華, 陶文宏, 程國園, 趙麗萍
【申請人】濟(jì)南大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年10月28日