本發(fā)明屬于無鉛壓電陶瓷材料領域，具體涉及一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法。

背景技術：

壓電陶瓷作為一類重要的功能陶瓷，在電子信息、超聲換能、傳感器、無損檢測等技術領域已獲得廣泛應用。壓電材料及器件具有實現(xiàn)電能與機械能直接轉換的功能，其工作原理源自力–電耦合的壓電效應，涉及材料、物理、力學等多學科交叉。壓電材料不僅用途廣泛，而且其相關材料科學與應用技術的研究一直經久不衰。

目前大規(guī)模使用的壓電陶瓷材料體系主要是以鋯鈦酸鉛為主的鉛基壓電陶瓷。鉛基壓電陶瓷具有優(yōu)異的壓電性能，并且可以通過摻雜取代來調節(jié)其性能以滿足不同需求，但是這些陶瓷材料中含有大量對人體和環(huán)境有害的鉛。目前，環(huán)境保護問題日益引起人們的關注，壓電陶瓷材料最終將實現(xiàn)無鉛化，因而環(huán)境友好型無鉛壓電陶瓷成為研究的熱點。其中鈮酸鉀鈉基(knn)無鉛壓電陶瓷以其相對優(yōu)越的壓電性能和較高的居里溫度倍受關注，但knn的制備工藝性差，對燒結溫度非常敏感，使用傳統(tǒng)陶瓷工藝得到的knn陶瓷，其致密度很差。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，旨在提供一種新的陶瓷生坯成型方法，有效提高knn陶瓷的生坯密度，進而改善knn陶瓷燒結特性和壓電性能。

為了實現(xiàn)上述的技術目的，本發(fā)明的技術方案為：

一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

1）將nb2o5和koh按照摩爾比1：6混合得到混合料，以乙醇為研磨介質，將混合料置于研缽中研磨均勻，然后將混合料于300-350℃下焙燒2-2.5h后溶于水，并用硝酸滴定直至產生白色沉淀，過濾，收集沉淀，將沉淀用去離子水反復沖洗，抽濾烘干，然后將沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驅體；

2）按化學組成通式k0.5na0.5nbo3的化學計量比稱取上述前驅體、na2co3和k2co3，并置于檸檬酸中混合均勻，而后用氨水滴定至中性，充分攪拌后得到溶膠，將溶膠烘干得到干凝膠；

3）將上述干凝膠研磨成粉，置于馬弗爐中，設置煅燒溫度為700-1000℃，保溫1-5h，制得鈮酸鉀鈉納米粉體；

4）稱取一定量的鈮酸鉀鈉納米粉體，加入其重量比1-25%的研磨溶液，于研缽中充分研磨均勻，然后將研磨后的物料裝入直徑為10mm的模具中，于20-180℃下施加200-400mpa壓力壓制成型，保壓1-60分鐘，得到坯體；

5）將上述坯體脫模得到生坯，將生坯置于馬弗爐中，于1050-1150℃下燒結1-4小時，然后自然冷卻至室溫，即可制得鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。

所述步驟1)，混合料與研磨介質乙醇的重量比為1：1。

所述步驟2），溶膠于115-125℃烘干至恒重得到干凝膠

所述步驟3），鈮酸鉀鈉納米粉體的粒徑小于100nm。

所述步驟4），研磨溶液為去離子水、醋酸溶液、氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液中的一種。

研究發(fā)現(xiàn)，生坯密度對knn陶瓷的燒結特性和電學性能有極大影響，因此提高knn陶瓷的生坯密度，對制備高性能knn壓電陶瓷具有很大的促進作用。本發(fā)明采用以上技術方案，通過在鈮酸鉀鈉納米粉體中加入一定比例的研磨溶液，在設定溫度和壓力下成型，可以得到成型密度很高的生坯陶瓷片。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

（1）通過本發(fā)明方法法獲得的knn生坯密度達到70%以上，相比傳統(tǒng)的制片方法致密度提高50%左右。

（2）生坯密度的提高拓寬了knn陶瓷對燒結溫度范圍，提高了生產工藝的靈活度。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的闡述：

圖1是實施例2得到的knn納米粉體的xrd圖；

圖2是實施例2得到的knn納米粉體的掃描電鏡圖；

圖3是實施例2得到的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的掃描電鏡圖。

具體實施方式

一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

1）將nb2o5和koh按照摩爾比1：6混合得到混合料，以乙醇為研磨介質，將混合料與乙醇按照重量比1：1置于研缽中研磨均勻，然后將混合料于300-350℃下焙燒2-2.5h后溶于水，并用硝酸滴定直至產生白色沉淀，過濾，收集沉淀，將沉淀用去離子水反復沖洗，抽濾烘干，然后將沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驅體；

2）按化學組成通式k0.5na0.5nbo3的化學計量比稱取上述前驅體、na2co3和k2co3，并置于檸檬酸中混合均勻，而后用氨水滴定至中性，充分攪拌后得到溶膠，將溶膠于115-125℃烘干至恒重得到干凝膠；

3）將上述干凝膠研磨成粉，置于馬弗爐中，設置煅燒溫度為700-1000℃，保溫1-5h，制得鈮酸鉀鈉納米粉體；粉體粒徑小于100nm；

4）稱取一定量的鈮酸鉀鈉納米粉體，加入其重量1-25%的研磨溶液（去離子水、醋酸溶液、氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液），于研缽中充分研磨均勻，然后將研磨后的物料裝入直徑為10mm的模具中，于20-180℃下施加200-400mpa壓力壓制成型，保壓1-60分鐘，得到坯體；

5）將上述坯體脫模得到生坯，將生坯置于馬弗爐中，于1050-1150℃下燒結1-4小時，然后自然冷卻至室溫，即可制得鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。

實施例1

一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

1）將nb2o5和koh按照摩爾比1：6混合得到混合料，以乙醇為研磨介質，將混合料與乙醇按照重量比1：1置于研缽中研磨均勻，然后將混合料于350℃下焙燒2h后溶于水，并用硝酸滴定直至產生白色沉淀，過濾，收集沉淀，將沉淀用去離子水反復沖洗，抽濾烘干，然后將沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驅體；

2）按化學組成通式k0.5na0.5nbo3的化學計量比稱取上述前驅體、na2co3和k2co3，并置于檸檬酸中混合均勻，而后用氨水滴定至中性，充分攪拌后得到溶膠，將溶膠于120℃烘干至恒重得到干凝膠；

3）將上述干凝膠研磨成粉，置于馬弗爐中，設置煅燒溫度為700℃，保溫5h，制得鈮酸鉀鈉納米粉體；粉體粒徑小于100nm；

4）稱取一定量的鈮酸鉀鈉納米粉體，加入其重量25%的去離子水，于研缽中充分研磨均勻，然后將研磨后的物料裝入直徑為10mm的模具中，于180℃下施加200mpa壓力壓制成型，保壓60分鐘，得到坯體；

用電子天平準確稱量坯體質量，用游標卡尺和千分尺分別測量其直徑和厚度，然后用質量體積之比計算得出其密度為70.4%（即生坯密度）；

5）將上述坯體脫模得到生坯，將生坯置于馬弗爐中，于1150℃下燒結4小時，然后自然冷卻至室溫，即可制得鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷，其密度達92.7%，壓電常數(shù)d33達到67pc/n。

實施例2

一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

1）將nb2o5和koh按照摩爾比1：6混合得到混合料，以乙醇為研磨介質，將混合料與乙醇按照重量比1：1置于研缽中研磨均勻，然后將混合料于300℃下焙燒2.5h后溶于水，并用硝酸滴定直至產生白色沉淀，過濾，收集沉淀，將沉淀用去離子水反復沖洗，抽濾烘干，然后將沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驅體；

2）按化學組成通式k0.5na0.5nbo3的化學計量比稱取上述前驅體、na2co3和k2co3，并置于檸檬酸中混合均勻，而后用氨水滴定至中性，充分攪拌后得到溶膠，將溶膠于115℃烘干至恒重得到干凝膠；

3）將上述干凝膠研磨成粉，置于馬弗爐中，設置煅燒溫度為1000℃，保溫1h，制得鈮酸鉀鈉納米粉體；粉體粒徑小于100nm；

4）稱取一定量的鈮酸鉀鈉納米粉體，加入其重量1%的醋酸溶液，于研缽中充分研磨均勻，然后將研磨后的物料裝入直徑為10mm的模具中，于20℃下施加400mpa壓力壓制成型，保壓1分鐘，得到坯體；

用電子天平準確稱量坯體質量，用游標卡尺和千分尺分別測量其直徑和厚度，然后用質量體積之比計算得出其密度為71.4%（即生坯密度）；

5）將上述坯體脫模得到生坯，將生坯置于馬弗爐中，于1100℃下燒結4小時，然后自然冷卻至室溫，即可制得鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷，其密度達93.5%，壓電常數(shù)d33達到79pc/n。

本實施例得到的knn納米粉體的xrd圖如圖1所示，從中可以看出所得到粉體為純度比較高的鈣鈦礦結構的k0.5na0.5nbo3，幾乎沒有雜相出現(xiàn)。

本實施例得到的knn納米粉體的掃描電鏡圖如圖2所示，從中可以看出通過sol-gel法制備得到的粉體粒徑比較均勻，粒徑大小在100nm以下，未出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象.

本實施例得到的產品鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的掃描電鏡圖如圖3所示，其顯示燒結后得到陶瓷片氣孔比較少，致密度比較高，陶瓷性能相對較好。

實施例3

一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

1）將nb2o5和koh按照摩爾比1：6混合得到混合料，以乙醇為研磨介質，將混合料與乙醇按照重量比1：1置于研缽中研磨均勻，然后將混合料于350℃下焙燒2h后溶于水，并用硝酸滴定直至產生白色沉淀，過濾，收集沉淀，將沉淀用去離子水反復沖洗，抽濾烘干，然后將沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驅體；

2）按化學組成通式k0.5na0.5nbo3的化學計量比稱取上述前驅體、na2co3和k2co3，并置于檸檬酸中混合均勻，而后用氨水滴定至中性，充分攪拌后得到溶膠，將溶膠于125℃烘干至恒重得到干凝膠；

3）將上述干凝膠研磨成粉，置于馬弗爐中，設置煅燒溫度為850℃，保溫3h，制得鈮酸鉀鈉納米粉體；粉體粒徑小于100nm；

4）稱取一定量的鈮酸鉀鈉納米粉體，加入其重量18%的氫氧化鈉溶液，于研缽中充分研磨均勻，然后將研磨后的物料裝入直徑為10mm的模具中，于120℃下施加350mpa壓力壓制成型，保壓30分鐘，得到坯體；

用電子天平準確稱量坯體質量，用游標卡尺和千分尺分別測量其直徑和厚度，然后用質量體積之比計算得出其密度為73.2%（即生坯密度）；

5）將上述坯體脫模得到生坯，將生坯置于馬弗爐中，于1150℃下燒結2小時，然后自然冷卻至室溫，即可制得鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷，其密度達95.2%，壓電常數(shù)d33達到87pc/n。

實施例4

一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

1）將nb2o5和koh按照摩爾比1：6混合得到混合料，以乙醇為研磨介質，將混合料與乙醇按照重量比1：1置于研缽中研磨均勻，然后將混合料于300℃下焙燒2.5h后溶于水，并用硝酸滴定直至產生白色沉淀，過濾，收集沉淀，將沉淀用去離子水反復沖洗，抽濾烘干，然后將沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驅體；

2）按化學組成通式k0.5na0.5nbo3的化學計量比稱取上述前驅體、na2co3和k2co3，并置于檸檬酸中混合均勻，而后用氨水滴定至中性，充分攪拌后得到溶膠，將溶膠于120℃烘干至恒重得到干凝膠；

3）將上述干凝膠研磨成粉，置于馬弗爐中，設置煅燒溫度為950℃，保溫2h，制得鈮酸鉀鈉納米粉體；粉體粒徑小于100nm；

4）稱取一定量的鈮酸鉀鈉納米粉體，加入其重量1的氫氧化鉀溶液，于研缽中充分研磨均勻，然后將研磨后的物料裝入直徑為10mm的模具中，于180℃下施加400mpa壓力壓制成型，保壓30分鐘，得到坯體；

用電子天平準確稱量坯體質量，用游標卡尺和千分尺分別測量其直徑和厚度，然后用質量體積之比計算得出其密度為72.5%（即生坯密度）；

5）將上述坯體脫模得到生坯，將生坯置于馬弗爐中，于1050℃下燒結4小時，然后自然冷卻至室溫，即可制得鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷，其密度達94.1%，壓電常數(shù)d33達到76pc/n。

實施例5

一種鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

1）將nb2o5和koh按照摩爾比1：6混合得到混合料，以乙醇為研磨介質，將混合料與乙醇按照重量比1：1置于研缽中研磨均勻，然后將混合料于350℃下焙燒2h后溶于水，并用硝酸滴定直至產生白色沉淀，過濾，收集沉淀，將沉淀用去離子水反復沖洗，抽濾烘干，然后將沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驅體；

2）按化學組成通式k0.5na0.5nbo3的化學計量比稱取上述前驅體、na2co3和k2co3，并置于檸檬酸中混合均勻，而后用氨水滴定至中性，充分攪拌后得到溶膠，將溶膠于120℃烘干至恒重得到干凝膠；

3）將上述干凝膠研磨成粉，置于馬弗爐中，設置煅燒溫度為800℃，保溫3h，制得鈮酸鉀鈉納米粉體；粉體粒徑小于100nm；

4）稱取一定量的鈮酸鉀鈉納米粉體，加入其重量12%的醋酸溶液，于研缽中充分研磨均勻，然后將研磨后的物料裝入直徑為10mm的模具中，于100℃下施加300mpa壓力壓制成型，保壓1分鐘，得到坯體；

用電子天平準確稱量坯體質量，用游標卡尺和千分尺分別測量其直徑和厚度，然后用質量體積之比計算得出其密度為70.2%（即生坯密度）；

5）將上述坯體脫模得到生坯，將生坯置于馬弗爐中，于1150℃下燒結1小時，然后自然冷卻至室溫，即可制得鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷，其密度達93.2%，壓電常數(shù)d33達到77pc/n。