專利名稱：：無鉛壓電陶瓷KNbO₃超細粉體及其燒結(jié)體的制備方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明屬于壓電陶瓷制備
技術(shù)領域：
，具體涉及無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體及其燒結(jié)體的制備方法。技術(shù)背景目前，商用的壓電陶瓷仍以PbTi03(鈦酸鉛，縮寫為PT)、Pb(Zr，Ti)03(鋯鈥酸鉛，縮寫為PZT)基陶瓷為主。但是，PT、PZT基陶瓷的主要生產(chǎn)原料為PbO，具有較高的毒性，在生產(chǎn)和回收處理過程中會對人類健康和環(huán)境造成很大的損害。鈮酸鉀(KNb03，縮寫為KN)是一種壓電性很強的鈣鈦礦型鐵電體，居里溫度(T。)為435°C，是重要的無鉛壓電候選材料之一。KN粉體的合成一般采用傳統(tǒng)固相法(參考文獻:U.Flueckiger，"SynthesisofK跳Powder",J.Am.Ceram.Soc.56.575-7(1977))。該方法能4毛高，需要800。C以上高溫才能獲得純4丐鈦礦相結(jié)構(gòu)，且固相反應機制導致合成的粉體較粗(平均粒徑大于1微米)，團聚嚴重，活性差。采用固相法合成的粉體很難燒結(jié)獲得高致密度的陶瓷體，壓電性能差(壓電應變常數(shù)"遠小于lOOx10—12C/N),限制了其在壓電器件方面的應用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，而提供一種合成溫度低、產(chǎn)物粒徑小、團聚程度弱的無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體的熔鹽合成方法和在氧氣氛中將KNb03超細粉體燒制成高致密度，高居里溫度(430-435°C)，壓電性能優(yōu)良(壓電應變常數(shù)山3大于lOOx1(T12C/N)的KNb03壓電陶瓷燒結(jié)體的方法。本發(fā)明所提供的一種無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體的制備方法，包括以下步驟1)按摩爾比1:1稱量K2C03,NbA原料，裝入以二氧化鋯球為磨介，以無水乙醇為^t介質(zhì)的尼龍罐中，球磨612h;2)按熔鹽與原料(1(2(:03和^205摩爾比1:l的混合物)質(zhì)量比l:5~3:7稱量KC1熔鹽，裝入到步驟l)中的尼龍罐中，球磨612h,烘干；3)將步驟2)中烘干的原料和熔鹽混合物放置于氧化鋁坩堝中，密封；4)在600°C900。C下晶化24h;5)抽濾，用去離子水洗滌至用硝酸銀試劑檢測不到濾液中含氯離子，干燥，即得無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體。本發(fā)明所提供的一種無鉛壓電陶瓷KNb03燒結(jié)體的制備方法，是將步驟5)中得到的無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體經(jīng)等靜壓成型，氧氣氛下燒制后，再經(jīng)拋光、刷銀，極化制成無鉛壓電陶乾KNb03燒結(jié)體；其中，等靜壓力為100MPa200MPa,燒制溫度為IOO(TC~IIO(TC,保溫時間為2~4h。當燒成溫度低于IOO(TC時，陶瓷沒有燒結(jié)致密，而高于1100。C時，陶瓷將燒化變形。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明方法以熔鹽為熔劑和反應介質(zhì)，通過加熱熔鹽和反應物的混合物熔化，在液相環(huán)境下進行反應生成產(chǎn)物，冷卻至室溫后，以去離子水清洗去除熔鹽得到純凈的反應產(chǎn)物。與傳統(tǒng)固相法相比，熔鹽法可在低于600。C合成出純鈣鈥礦相結(jié)構(gòu)的KN粉體，能耗低，且液相反應機制導致合成的粉體超細(平均粒徑300納米)、團聚程度弱。本發(fā)明的KN超細粉體燒結(jié)活性強，在氧氣氛中燒制可獲得高致密度的陶瓷，可得到壓電陶瓷的性能為居里溫度430435。C，測試溫度為2(TC的壓電應變常數(shù)d"是100x10—12C/N以上。采用BrukerAdvanceD-8粉末射線書亍射儀(CuKa輻射，X=l.5406A)測定所制備材料的X射線衍射圖。采用HitachiS-3500N掃描電子顯微鏡測定所制備材料的顯微形貌。采用阿基米德排水法測定樣品體積密度。采用與自動控溫箱聯(lián)用的Agilent4284A精密數(shù)字電橋測定所制備材料的介電常數(shù)-溫度譜，并根據(jù)介電常數(shù)峰值確定居里溫度。采用ZJ-2"測試儀，在保溫20。C的恒溫箱中測定所制備材料的(133數(shù)值。圖1:產(chǎn)物ae粉末的X射線衍射圖。圖2:產(chǎn)物c的掃描電鏡圖。圖3:產(chǎn)物c燒結(jié)成瓷的介電常數(shù)-溫度譜。具體實施方式實施例11)按摩爾比l:1稱量K2C03,Nb2O5原料20g,裝入以二氧化鋯球為磨介，以無水乙醇為分散介質(zhì)的尼龍罐中，球磨6h;2)按熔鹽與原料質(zhì)量比1:5稱量KC1熔鹽4.21g,裝入到尼龍罐中，球磨6h，將所得原料和熔鹽混合物烘干；3)將步驟2)中得到的原料和熔鹽混合物放置于氧化鋁坩堝中，密封后，在600。C晶化2h;4)晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體a,產(chǎn)物a的粉末X射線衍射圖見圖1;5)將并分體a在lOOMPa壓力下進行等靜壓處理，成型成直徑為12mm的圓柱狀樣品，然后，將此成型體在氧氣氛下于IOO(TC,保溫2h燒成得到陶瓷。對陶瓷的上下表面進行研磨拋光。進而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶覺的上下表面并燒滲銀電極。最后，在保溫20(TC的硅油中，通過加3kV/mm的直流電場30min,進行極化處理，得到無鉛壓電陶瓷KNb03燒結(jié)體。性能參數(shù)如表l中所示。實施例21)按摩爾比l:1稱量K2C03,Nb20s原料20g,裝入以二氧化鋯球為磨介，以無水乙醇為分散介質(zhì)的尼龍罐中，球磨6h;2)按熔鹽與原料質(zhì)量比3:7稱量KC1熔鹽8.57g，裝入到尼龍罐中，球磨12h,將所得原料和熔鹽混合物烘干；3)將步驟2)中得到的原料和熔鹽混合物放置于氧化鋁坩堝中，密封后，在60(TC晶化2h;4)晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體b，產(chǎn)物b的粉末X射線衍射圖見圖1。5)將粉體b在150MPa壓力下進行等靜壓處理，成型成直徑為12mm的圓柱狀樣品。然后，將此成型體在氧氣氛下于1050°C,保溫4h燒成得到陶瓷。對陶瓷的上下表面進行研磨拋光。進而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶f:的上下表面并燒滲銀電極。最后，在保溫200。C的硅油中，通過加3kV/mm的直流電場30min，進行極化處理，得無鉛壓電陶資KNb03燒結(jié)體。性能參數(shù)如表l中所示。實施例31)按摩爾比1:1稱量K2C03,NbA原料20g,裝入以二氧化鋯球為磨介，以無水乙醇為分散介質(zhì)的尼龍罐中，球磨6h;2)按熔鹽與原料質(zhì)量比1:5稱量KC1熔鹽4.21g,裝入到尼龍罐中，球磨12h,將所得原料和熔鹽混合物烘干；3)將步驟2)中得到的原料和熔鹽混合物放置于氧化鋁坩堝中，密封后，在80(TC晶化2h;4)晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體c，產(chǎn)物c的粉末X射線衍射圖見圖1,產(chǎn)物c的掃描電鏡圖見圖2;5)將粉體c在150MPa壓力下進行等靜壓處理，成型成直徑為12mm的圓柱狀樣品。然后，將此成型體在氧氣氛下于1050°C,保溫2h燒成得到陶瓷。對陶瓷的上下表面進行研磨拋光。陶瓷產(chǎn)物c的介電常數(shù)-溫度譜見圖3。進而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶瓷的上下表面并燒:^4艮電極。最后，在保溫20(TC的硅油中，通過加3kV/mm的直流電場30min,進行極化處理，得到無鉛壓電陶瓷KNb03燒結(jié)體。性能參數(shù)如表l中所示。實施例41)按摩爾比1:1稱量LC03，NW)5原料20g，裝入以二氧化鋯球為磨介，以無水乙醇為分散介質(zhì)的尼龍罐中，球磨12h;2)按熔鹽與原料質(zhì)量比1:5稱量KC1熔鹽4.21g,裝入到尼龍罐中，球磨12h，將所得原料和熔鹽混合物烘干；3)將步驟2)中得到的原料和熔鹽混合物放置于氧化鋁坩堝中，密封后，在900。C晶化2h;4)晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體d,產(chǎn)物d的粉末X射線衍射圖見圖1;5)將粉體d在200MPa壓力下進行等靜壓處理，成型成直徑為12腿的圓柱狀樣品。然后，將此成型體在氧氣氛下于IIO(TC,保溫2h燒成得到陶瓷。對陶瓷的上下表面進行研磨拋光。進而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶f:的上下表面并燒滲4艮電極。最后，在保溫200。C的硅油中，通過加3kV/mm的直流電場30min,進行極化處理，得到無鉛壓電陶瓷KNb03燒結(jié)體。性能參數(shù)如表l中所示。實施例51)按摩爾比l:1稱量〖2C03,Nb20s原料20g，裝入以二氧化鋯球為磨介，以無水乙醇為分散介質(zhì)的尼龍罐中，球磨12h;2)按熔鹽與原料質(zhì)量比3:7稱量KC1熔鹽8.57g，裝入到尼龍罐中，球磨12h，將所得原料和熔鹽混合物烘干；3)將步驟2)中得到的原料和熔鹽混合物放置于氧化鋁坩堝中，密封后，在90(TC晶化4h;4)晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體e，產(chǎn)物e的粉末X射線衍射圖見圖1;5)將粉體e在lOOMPa壓力下進行等靜壓處理，成型成直徑為12mm的圓柱狀樣品。然后，將此成型體在氧氣氛下于IOO(TC,保溫4h燒成得到陶乾。對陶資的上下表面進行研磨拋光。進而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶瓷的上下表面并燒滲4艮電極。最后，在保溫200。C的硅油中，通過加3kV/隨的直流電場30min，進行極化處理，得到無鉛壓電陶資KNb03燒結(jié)體。性能參數(shù)如表l中所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表1為無鉛壓電陶瓷KNb(h燒結(jié)體的性能參數(shù)權(quán)利要求1.一種無鉛壓電陶瓷KNbO3超細粉體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)按摩爾比1∶1稱量K2CO3，Nb2O5原料，裝入以二氧化鋯球為磨介，以無水乙醇為分散介質(zhì)的尼龍罐中，球磨6～12h；2)按熔鹽與原料質(zhì)量比1∶5～3∶7稱量KCl熔鹽，裝入到步驟1)中的尼龍罐中，球磨6～12h，烘干；3)將步驟2)中烘干的原料和熔鹽混合物放置于氧化鋁坩堝中，密封；4)在600℃～900℃下晶化2～4h；5)抽濾，用去離子水洗滌至用硝酸銀試劑檢測不到濾液中含氯離子，干燥，即得無鉛壓電陶瓷KNbO3超細粉體。2、一種無鉛壓電陶f;KNb03燒結(jié)體的制備方法，其特征在于，將步驟5)中得到的無鉛壓電陶瓷KNb03超細粉體經(jīng)等靜壓成型，氧氣氛下燒制后，再經(jīng)拋光、刷4艮，4l化制成無鉛壓電陶瓷KNb03燒結(jié)體；其中，等靜壓力為100MPa200MPa,燒制溫度為IOO(TC~IIO(TC，保溫時間為24h。全文摘要無鉛壓電陶瓷KNbO₃超細粉體及其燒結(jié)體的制備方法屬于壓電陶瓷領域。本發(fā)明擬解決傳統(tǒng)KN粉體合成方法中能耗高、粉體粗、易團聚，活性差的問題。本發(fā)明通過將摩爾比1∶1的K₂CO₃和Nb₂O₅，以二氧化鋯球為磨介，以無水乙醇為分散介質(zhì)，球磨6～12h；再按熔鹽與原料質(zhì)量比1∶5～3∶7加入KCl熔鹽，球磨6～12h；再將混合物于600℃～900℃，晶化2～4h；用去離子水洗滌至濾液中不含氯離子后干燥，得到KN超細粉體。將KN超細粉體經(jīng)加壓成型后于氧氣氛中，1000℃～1100℃燒結(jié)2～4h，成陶瓷燒結(jié)體。本發(fā)明具有生產(chǎn)工藝簡單、能耗低、所制備粉體超細、團聚程度弱，KN壓電陶瓷電學性能優(yōu)良等優(yōu)點。文檔編號C01G33/00GK101249986SQ200810102879公開日2008年8月27日申請日期2008年3月28日優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日發(fā)明者輝嚴,侯育冬,宋雪梅,銘張,朱滿康,浩汪,波王,超王,王如志,葛海燕申請人:北京工業(yè)大學